Comment calculer l'énergie des rayons X

La formule générale pour l'énergie d'un photon unique d'une onde électromagnétique telle qu'un rayon X est donnée parL'équation de Planck​:

dans quelle énergieEen Joules est égal au produit de la constante de Planckh​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) et la fréquenceν(prononcé "nu") en unités de s^-1. Pour une fréquence donnée d'une onde électromagnétique, vous pouvez calculer l'énergie des rayons X associée pour un seul photon en utilisant cette équation. Elle s'applique à toutes les formes de rayonnement électromagnétique, y compris la lumière visible, les rayons gamma et les rayons X.

•••Syed Hussain Ather

L'équation de Planck dépend des propriétés ondulatoires de la lumière. Si vous imaginez la lumière comme une onde comme le montre le diagramme ci-dessus, vous pouvez l'imaginer ayant une amplitude, une fréquence et une longueur d'onde tout comme une vague océanique ou une onde sonore. L'amplitude mesure la hauteur d'une crête comme indiqué et correspond généralement à la luminosité ou l'intensité de l'onde, et la longueur d'onde mesure la distance horizontale qu'un cycle complet de l'onde couvre. La fréquence est le nombre de longueurs d'onde complètes qui passent par un point donné chaque seconde.

•••Syed Hussain Ather

Dans le cadre du spectre électromagnétique, vous pouvez déterminer soit la fréquence, soit la longueur d'onde d'un rayon X lorsque vous connaissez l'un ou l'autre. Semblable à l'équation de Planck, cette fréquenceνd'une onde électromagnétique se rapporte à la vitesse de la lumièrec, 3x10^-8 m/s, avec l'équation

dans laquelle est la longueur d'onde de l'onde. La vitesse de la lumière reste constante dans toutes les situations et dans tous les exemples, donc cette équation montre comment la fréquence et la longueur d'onde d'une onde électromagnétique sont inversement proportionnelles l'une à l'autre.

Dans le diagramme ci-dessus, les différentes longueurs d'onde des différents types d'ondes sont représentées. Les rayons X se situent entre les rayons ultraviolets (UV) et gamma dans le spectre, de sorte que les propriétés des rayons X de longueur d'onde et de fréquence se situent entre eux.

Des longueurs d'onde plus courtes indiquent une énergie et une fréquence plus élevées qui peuvent présenter des risques pour la santé humaine. Les écrans solaires qui bloquent les rayons UV et les manteaux protecteurs et les boucliers de plomb qui empêchent les rayons X de pénétrer dans la peau démontrent ce pouvoir. Les rayons gamma de l'espace extra-atmosphérique sont heureusement absorbés par l'atmosphère terrestre, les empêchant de nuire aux humains.

Enfin, la fréquence peut être liée à la périodeTen quelques secondes avec l'équation

Ces propriétés des rayons X peuvent également s'appliquer à d'autres formes de rayonnement électromagnétique. Le rayonnement X en particulier montre ces propriétés ondulatoires, mais aussi celles de type particule.

En plus des comportements ondulatoires, les rayons X se comportent comme un flux de particules comme si une seule onde d'un rayon X composé d'une particule après l'autre entrant en collision avec des objets et, lors de la collision, absorber, réfléchir ou passer à travers.

Parce que l'équation de Planck utilise de l'énergie sous forme de photons uniques, les scientifiques disent que les ondes électromagnétiques de la lumière sont "quantifiées" dans ces "paquets" d'énergie. Ils sont constitués de quantités spécifiques de photons qui transportent des quantités discrètes d'énergie appelées quanta. Au fur et à mesure que les atomes absorbent ou émettent des photons, ils augmentent respectivement leur énergie ou la perdent. Cette énergie peut prendre la forme d'un rayonnement électromagnétique.

En 1923, le physicien américain William Duane expliqua comment les rayons X se diffracteraient dans les cristaux à travers ces comportements de particules. Duane a utilisé le transfert de quantité de mouvement quantifié à partir de la structure géométrique du cristal diffractant pour expliquer comment différentes ondes de rayons X se comporteraient lors du passage à travers le matériau.

Les rayons X, comme d'autres formes de rayonnement électromagnétique, présentent cette dualité onde-particule qui permet aux scientifiques de décrire leur comportement comme s'ils étaient à la fois des particules et des ondes. Ils coulent comme des vagues avec une longueur d'onde et une fréquence tout en émettant des quantités de particules comme s'il s'agissait de faisceaux de particules.

Nommée d'après le physicien allemand Maxwell Planck, l'équation de Planck dicte que la lumière se comporte de cette manière ondulatoire, la lumière montre également des propriétés semblables à des particules. Cette dualité onde-particule de la lumière signifie que, bien que l'énergie de la lumière dépende de sa fréquence, elle vient toujours en quantités discrètes d'énergie dictées par les photons.

Lorsque les photons des rayons X entrent en contact avec différents matériaux, certains d'entre eux sont absorbés par le matériau tandis que d'autres traversent. Les rayons X qui les traversent permettent aux médecins de créer des images internes du corps humain.

La médecine, l'industrie et divers domaines de recherche à travers la physique et la chimie utilisent les rayons X de différentes manières. Les chercheurs en imagerie médicale utilisent les rayons X pour établir des diagnostics afin de traiter des affections du corps humain. La radiothérapie a des applications dans le traitement du cancer.

Les ingénieurs industriels utilisent les rayons X pour s'assurer que les métaux et autres matériaux ont les propriétés appropriées nécessaires pour à des fins telles que l'identification de fissures dans les bâtiments ou la création de structures pouvant résister à de grandes quantités de pression.

La recherche sur les rayons X dans les installations synchrotron permet aux entreprises de fabriquer des instruments scientifiques utilisés en spectroscopie et en imagerie. Ces synchrotrons utilisent de gros aimants pour courber la lumière et forcer les photons à prendre des trajectoires ondulatoires lorsque les rayons X sont accélérés en mouvements circulaires dans ces installations, leur rayonnement se polarise linéairement pour produire de grandes quantités de Puissance. La machine redirige ensuite les rayons X vers d'autres accélérateurs et installations de recherche.

Les applications des rayons X en médecine ont créé des méthodes de traitement entièrement nouvelles et innovantes. Les rayons X sont devenus partie intégrante du processus d'identification des symptômes dans le corps grâce à leur nature non invasive qui leur permettrait de diagnostiquer sans avoir besoin d'entrer physiquement dans le corps. Les rayons X avaient également l'avantage de guider les médecins lorsqu'ils inséraient, retiraient ou modifiaient des dispositifs médicaux chez les patients.

Il existe trois principaux types d'imagerie par rayons X utilisés en médecine. La première, la radiographie, image le système squelettique avec seulement de petites quantités de rayonnement. La seconde, la fluoroscopie, permet aux professionnels de visualiser l'état interne d'un patient en temps réel. Des chercheurs en médecine l'ont utilisé pour nourrir les patients en baryum afin d'observer le fonctionnement de leur tube digestif et de diagnostiquer les maladies et les troubles de l'œsophage.

Enfin, la tomodensitométrie permet aux patients de s'allonger sous un scanner en forme d'anneau pour créer une image tridimensionnelle des organes et des structures internes du patient. Les images tridimensionnelles sont agrégées à partir de nombreuses images transversales prises du corps du patient.

L'ingénieur mécanicien allemand Wilhelm Conrad Roentgen a découvert les rayons X alors qu'il travaillait avec des tubes à rayons cathodiques, un appareil qui envoyait des électrons pour produire des images. Le tube utilisait une enveloppe de verre qui protégeait les électrodes du vide à l'intérieur du tube. En envoyant des courants électriques à travers le tube, Roentgen a observé comment différentes ondes électromagnétiques étaient émises par l'appareil.

Lorsque Roentgen a utilisé un papier noir épais pour protéger le tube, il a découvert que le tube émettait une lumière fluorescente verte, un rayon X, qui pouvait traverser le papier et dynamiser d'autres matériaux. Il a découvert que, lorsque des électrons chargés d'une certaine quantité d'énergie entrent en collision avec un matériau, des rayons X sont produits.

En les nommant "rayons X", Roentgen espérait capturer leur nature mystérieuse et inconnue. Roentgen a découvert qu'il pouvait traverser les tissus humains, mais pas les os ni le métal. À la fin de 1895, l'ingénieur a créé une image de la main de sa femme à l'aide des rayons X ainsi qu'une image de poids dans une boîte, un exploit remarquable dans l'histoire des rayons X.

Bientôt, les scientifiques et les ingénieurs ont été séduits par la nature mystérieuse des rayons X et ont commencé à explorer les possibilités d'utilisation des rayons X. Le roentgen (R) deviendrait une ancienne unité de mesure de l'exposition aux rayonnements qui serait définie comme la quantité d'exposition nécessaire pour faire une seule unité positive et négative de charge électrostatique pour l'air sec.

Produire des images des structures internes du squelette et des organes d'humains et d'autres créatures, de chirurgiens et de médecins les chercheurs ont créé des techniques innovantes pour comprendre le corps humain ou déterminer où se trouvaient les balles dans soldats blessés.

En 1896, les scientifiques appliquaient déjà les techniques pour déterminer quels types de matière les rayons X pouvaient traverser. Malheureusement, les tubes qui produisent des rayons X se sont effondrés sous les grandes quantités de tension nécessaires à des fins industrielles jusqu'à ce que les tubes de Coolidge de 1913 du physicien-ingénieur américain William D. Coolidge a utilisé un filament de tungstène pour une visualisation plus précise dans le domaine nouvellement né de la radiologie. Les travaux de Coolidge ancreraient fermement les tubes à rayons X dans la recherche en physique.

Le travail industriel décolle avec la production d'ampoules, de lampes fluorescentes et de tubes à vide. Les usines de fabrication ont produit des radiographies, des images aux rayons X, de tubes en acier pour vérifier leurs structures internes et leur composition. Dans les années 1930, la General Electric Company avait produit un million de générateurs de rayons X pour la radiographie industrielle. L'American Society of Mechanical Engineers a commencé à utiliser des rayons X pour fusionner ensemble des récipients sous pression soudés.

Compte tenu de la quantité d'énergie que les rayons X contiennent avec leurs courtes longueurs d'onde et leurs hautes fréquences, alors que la société a adopté les rayons X dans divers domaines et disciplines, le l'exposition aux rayons X provoquerait une irritation des yeux, une défaillance des organes et des brûlures de la peau, entraînant parfois même la perte de membres et des vies. Ces longueurs d'onde du spectre électromagnétique pourraient rompre les liaisons chimiques qui provoqueraient des mutations dans l'ADN ou des changements dans la structure moléculaire ou la fonction cellulaire des tissus vivants.

Des recherches plus récentes sur les rayons X ont montré que ces mutations et aberrations chimiques peuvent provoquer le cancer, et les scientifiques estiment que 0,4 % des cancers aux États-Unis sont causés par des tomodensitogrammes. Alors que les rayons X gagnaient en popularité, les chercheurs ont commencé à recommander des niveaux de dosage de rayons X jugés sûrs.

Alors que la société embrassait le pouvoir des rayons X, les médecins, scientifiques et autres professionnels ont commencé à exprimer leurs inquiétudes concernant les effets négatifs des rayons X sur la santé. Alors que les chercheurs observaient comment les rayons X traversaient le corps sans prêter une attention particulière à la façon dont le les ondes ciblaient spécifiquement des zones du corps, ils avaient peu de raisons de croire que les rayons X pouvaient être dangereux.

Malgré les implications négatives des technologies à rayons X sur la santé humaine, leurs effets peuvent être contrôlés et maintenus pour éviter des dommages ou des risques inutiles. Alors que le cancer affecte naturellement 1 Américain sur 5, une tomodensitométrie augmente généralement le risque de cancer de 0,05 pour cent, et certains chercheurs soutiennent qu'une faible exposition aux rayons X peut même ne pas contribuer au risque de cancer.

Le corps humain a même des moyens intégrés de réparer les dommages causés par de faibles doses de rayons X, selon une étude dans l'American Journal of Clinical Oncology, suggérant que les radiographies ne présentent pas de risque significatif à tout.

Les enfants courent un plus grand risque de cancer du cerveau et de leucémie lorsqu'ils sont exposés aux rayons X. Pour cette raison, lorsqu'un enfant peut avoir besoin d'une radiographie, les médecins et autres professionnels discutent des risques avec les tuteurs de la famille de l'enfant pour donner leur consentement.

L'exposition à de grandes quantités de rayons X peut entraîner des vomissements, des saignements, des évanouissements, une perte de cheveux et une perte de peau. Ils peuvent provoquer des mutations dans l'ADN car ils ont juste assez d'énergie pour rompre les liaisons entre les molécules d'ADN.

Il est encore difficile de déterminer si les mutations de l'ADN sont dues aux rayons X ou à des mutations aléatoires de l'ADN lui-même. Les scientifiques peuvent étudier la nature des mutations, y compris leur probabilité, leur étiologie et leur fréquence pour déterminer si les cassures double brin de l'ADN étaient le résultat d'un rayonnement X ou de mutations aléatoires de l'ADN lui-même.