Kako izračunati rendgensku energiju

Opću formulu za energiju pojedinog fotona elektromagnetskog vala kao što je X-zraka dajePlanckova jednadžba​:

u kojoj energijaEu Joulesu jednak je umnošku Planckove konstanteh​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) i frekvencijeν(izgovara se "nu") u jedinicama s^-1. Za danu frekvenciju elektromagnetskog vala pomoću ove jednadžbe možete izračunati pridruženu rendgensku energiju za jedan foton. Primjenjuje se na sve oblike elektromagnetskog zračenja, uključujući vidljivu svjetlost, gama zrake i X-zrake.

•••Syed Hussain Ather

Planckova jednadžba ovisi o valovitim svojstvima svjetlosti. Ako zamišljate svjetlost kao val kao što je prikazano na gornjem dijagramu, možete zamisliti da ima amplitudu, frekvenciju i valnu duljinu baš kao što to mogu imati oceanski val ili zvučni val. Amplituda mjeri visinu jednog grebena kako je prikazano i općenito odgovara svjetlini ili intenzitet vala, a valna duljina mjeri vodoravnu udaljenost od punog ciklusa vala korice. Frekvencija je broj punih valnih duljina koje svake sekunde prolaze pored određene točke.

•••Syed Hussain Ather

Kao dio elektromagnetskog spektra možete odrediti frekvenciju ili valnu duljinu X-zraka kad poznajete jedno ili drugo. Slična je Planckova jednadžba, i ova frekvencijaνelektromagnetskog vala odnosi se na brzinu svjetlostic, 3 x 10^-8 m / s, s jednadžbom

u kojem je λ valna duljina vala. Brzina svjetlosti ostaje konstantna u svim situacijama i primjerima, pa ova jednadžba pokazuje kako su frekvencija i valna duljina elektromagnetskog vala međusobno obrnuto proporcionalne.

U gornjem dijagramu prikazane su različite valne duljine različitih vrsta valova. X-zrake leže između ultraljubičastih (UV) i gama zraka u spektru, pa rentgenska svojstva valne duljine i frekvencije padaju između njih.

Kraće valne duljine ukazuju na veću energiju i frekvenciju koje mogu predstavljati rizik za ljudsko zdravlje. Kreme za sunčanje koje blokiraju UV zrake te zaštitni slojevi i štitovi od olova koji sprečavaju ulazak X-zraka u kožu pokazuju ovu moć. Gama zrake iz svemira srećom apsorbira Zemljina atmosfera, sprečavajući ih da naštete ljudima.

Napokon, učestalost se može povezati s razdobljemTu sekundama s jednadžbom

Ta se svojstva rendgenskih zraka mogu primijeniti i na druge oblike elektromagnetskog zračenja. Rendgensko zračenje posebno pokazuje ta svojstva poput valova, ali i ona poput čestica.

Pored ponašanja poput valova, X-zrake se ponašaju poput struje čestica kao da je jedan val X-zraka sastojala se od jedne čestice za drugom koja se sudarala s predmetima i prilikom sudara upijala, reflektirala ili prolazila kroz.

Budući da Planckova jednadžba koristi energiju u obliku pojedinačnih fotona, znanstvenici kažu da su elektromagnetski valovi svjetlosti "kvantizirani" u ove "pakete" energije. Izrađeni su od specifičnih količina fotona koji nose diskretne količine energije zvane kvante. Kako atomi apsorbiraju ili emitiraju fotone, oni povećavaju energiju ili je gube. Ova energija može imati oblik elektromagnetskog zračenja.

Američki fizičar William Duane je 1923. objasnio kako će se X-zrake difraktirati u kristalima kroz ova ponašanja slična česticama. Duane je koristio kvantizirani prijenos impulsa iz geometrijske strukture difrakcijskog kristala kako bi objasnio kako će se ponašati različiti rendgenski valovi prilikom prolaska kroz materijal.

X-zrake, poput ostalih oblika elektromagnetskog zračenja, pokazuju ovu dualnost valnih čestica koja omogućava znanstvenicima da opisuju svoje ponašanje kao da su istovremeno i čestice i valovi. Oni teku poput valova s ​​valnom duljinom i frekvencijom, dok emitiraju količine čestica kao da su grede čestica.

Nazvana po njemačkom fizičaru Maxwellu Plancku, Planckova jednadžba nalaže da se svjetlost ponaša na takav val, svjetlost također pokazuje svojstva nalik na čestice. Ova dualnost svjetlosti valnih čestica znači da, iako energija svjetlosti ovisi o svojoj frekvenciji, ona ipak dolazi u diskretnim količinama energije koju diktiraju fotoni.

Kad fotoni X-zraka dođu u kontakt s različitim materijalima, neki od njih materijal apsorbira, dok drugi prolaze. X-zrake koje prolaze omogućuju liječnicima stvaranje unutarnjih slika ljudskog tijela.

Medicina, industrija i razna područja istraživanja kroz fiziku i kemiju koriste se X-zrakama na različite načine. Istraživači medicinske slike koriste se rendgenskim zrakama u stvaranju dijagnoza za liječenje stanja u ljudskom tijelu. Radioterapija ima primjenu u liječenju raka.

Industrijski inženjeri koriste se rendgenskim zrakama kako bi osigurali da metali i drugi materijali imaju odgovarajuća svojstva potrebna svrhe poput identificiranja pukotina u zgradama ili stvaranja struktura koje mogu izdržati velike količine pritisak.

Istraživanje rendgenskih zraka u sinkrotronskim objektima omogućuje tvrtkama proizvodnju znanstvenih instrumenata koji se koriste u spektroskopiji i slikanju. Ti sinkrotroni koriste velike magnete da savijaju svjetlost i prisiljavaju fotone da uzimaju valovite putanje Kada su X-zrake ubrzani kružnim pokretima u tim objektima, njihovo zračenje postaje linearno polarizirano dajući velike količine vlast. Stroj zatim preusmjerava rendgenske zrake prema drugim akceleratorima i objektima za istraživanje.

Primjena X-zraka u medicini stvorila je posve nove, inovativne metode liječenja. X-zrake su postale sastavni dio procesa prepoznavanja simptoma u tijelu zahvaljujući svojoj neinvazivnoj prirodi koja će im omogućiti dijagnosticiranje bez fizičkog ulaska u tijelo. X-zrake su također imale prednost vođenja liječnika dok su umetali, vadili ili modificirali medicinske uređaje unutar pacijenata.

Tri su glavne vrste rendgenskog snimanja koje se koriste u medicini. Prva, radiografija, prikazuje koštani sustav s samo malim količinama zračenja. Druga, fluoroskopija, omogućuje profesionalcima da u stvarnom vremenu vide unutarnje stanje pacijenta. Medicinski istraživači koristili su to za hranjenje pacijenata barijom kako bi promatrali rad njihovog probavnog trakta i dijagnosticirali bolesti i poremećaje jednjaka.

Konačno, računalna tomografija omogućuje pacijentima da legnu ispod skenera u obliku prstena kako bi stvorili trodimenzionalnu sliku pacijentovih unutarnjih organa i struktura. Trodimenzionalne slike objedinjene su iz mnogih slika presjeka snimljenih na tijelu pacijenta.

Njemački inženjer strojarstva Wilhelm Conrad Roentgen otkrio je X-zrake dok je radio s katodnim cijevima, uređajem koji je ispaljivao elektrone za stvaranje slika. Cijev je koristila staklenu ovojnicu koja je štitila elektrode u vakuumu unutar cijevi. Slanjem električnih struja kroz cijev, Roentgen je promatrao kako se različiti elektromagnetski valovi emitiraju iz uređaja.

Kad je Roentgen upotrijebio gusti crni papir za zaštitu cijevi, otkrio je da cijev emitira zeleno fluorescentno svjetlo, X-zraku, koja bi mogla proći kroz papir i energizirati druge materijale. Otkrio je da, kad bi se nabijeni elektroni određene količine energije sudarali s materijalom, nastale su X-zrake.

Nazvavši ih "X-zrakama", Roentgen se nadao da će uhvatiti njihovu tajanstvenu, nepoznatu prirodu. Roentgen je otkrio da bi mogao proći kroz ljudsko tkivo, ali ne i kroz kosti niti metal. Krajem 1895. godine inženjer je stvorio sliku ruke svoje supruge koristeći se rendgenskim zrakama, kao i sliku utega u kutiji, što je značajno u povijesti X-zraka.

Ubrzo su znanstvenici i inženjeri postali zamamljeni misterioznom prirodom X-zraka koja je počela istraživati ​​mogućnosti za upotrebu X-zraka. Roentgen (R) postala bi sada nestala jedinica za mjerenje izloženosti zračenju koja bi se definirala kao količina izloženosti neophodne za stvaranje jedne pozitivne i negativne jedinice elektrostatičkog naboja za suhi zrak.

Izrada slika unutarnjih struktura kostiju i organa ljudi i drugih bića, kirurga i medicinskih radnika istraživači su stvorili inovativne tehnike razumijevanja ljudskog tijela ili otkrivanja mjesta u kojem se nalaze meci ranjeni vojnici.

Do 1896. godine znanstvenici su već primjenjivali tehnike kako bi shvatili kroz koje vrste tvari mogu proći X-zrake. Nažalost, cijevi koje proizvode rendgenske zrake raspadale bi se pod velikom količinom napona potrebnog za industrijske svrhe sve do cijevi Coolidge iz 1913. američkog fizičara-inženjera Williama D. Coolidge je upotrijebio volframovu nit za precizniju vizualizaciju u novorođenom području radiologije. Coolidgeov bi rad čvrsto utemeljio rentgenske cijevi u istraživanjima fizike.

Industrijski su radovi krenuli proizvodnjom žarulja, fluorescentnih svjetiljki i vakuumskih cijevi. Proizvodni pogoni proizvodili su radiografije, rendgenske snimke čeličnih cijevi kako bi provjerili njihovu unutarnju strukturu i sastav. Do 1930-ih General Electric Company proizvela je milijun generatora X-zraka za industrijsku radiografiju. Američko društvo inženjera strojarstva počelo je koristiti X-zrake za spajanje zavarenih posuda pod tlakom.

S obzirom na to koliko se energije pakiraju X-zrake sa svojim kratkim valnim duljinama i visokim frekvencijama, dok je društvo prihvaćalo X-zrake u raznim poljima i disciplinama, izlaganje rendgenskim zrakama uzrokovalo bi iritaciju očiju, zatajenje organa i opekline kože, ponekad čak rezultiralo gubitkom udova i živi. Te valne duljine elektromagnetskog spektra mogle bi prekinuti kemijske veze koje bi uzrokovale mutacije u DNA ili promjene u molekularnoj strukturi ili staničnoj funkciji u živim tkivima.

Novija istraživanja na rendgenskim zrakama pokazala su da ove mutacije i kemijske aberacije mogu uzrokovati rak, a znanstvenici procjenjuju da 0,4% karcinoma u Sjedinjenim Državama uzrokuje CT skeniranje. Kako su X-zrake rasle popularnošću, istraživači su počeli preporučivati ​​razine doziranja X-zraka koje su se smatrale sigurnima.

Kako je društvo prihvatilo moć rendgenskih zraka, liječnici, znanstvenici i drugi stručnjaci počeli su izražavati svoju zabrinutost zbog negativnih učinaka rendgenskih zraka na zdravlje. Dok su istraživači primijetili kako će X-zrake prolaziti kroz tijelo ne obraćajući pomnu pažnju na to kako valovi posebno ciljani na dijelove tijela, imali su malo razloga vjerovati da bi X-zrake mogle biti opasno.

Unatoč negativnim implikacijama rentgenskih tehnologija na ljudsko zdravlje, njihovi se učinci mogu kontrolirati i održavati kako bi se spriječila nepotrebna šteta ili rizik. Iako rak prirodno pogađa 1 od 5 Amerikanaca, CT skeniranje obično povećava rizik od raka za .05 posto, a neki istraživači tvrde da niska izloženost rendgenskim zrakama možda čak i ne pridonosi riziku pojedinca od Rak.

Prema istraživanju, ljudsko tijelo čak ima ugrađene načine popravljanja oštećenja uzrokovanih malim dozama X-zraka u American Journal of Clinical Oncology, sugerirajući da rendgenski snimci ne predstavljaju značajan rizik svi.

Djeca su izložena većem riziku od raka mozga i leukemije kada su izložena X-zrakama. Iz tog razloga, kada dijete može zahtijevati rendgensko snimanje, liječnici i drugi stručnjaci razgovaraju o rizicima sa skrbnicima djetetove obitelji da daju pristanak.

Izloženost velikim količinama X-zraka može rezultirati povraćanjem, krvarenjem, nesvjesticom, gubitkom kose i gubitkom kože. Oni mogu uzrokovati mutacije u DNA jer imaju taman toliko energije da mogu prekinuti veze između molekula DNA.

Još je uvijek teško utvrditi jesu li mutacije u DNK posljedica zračenja X-zrakama ili slučajnih mutacija same DNK. Znanstvenici mogu proučavati prirodu mutacija, uključujući njihovu vjerojatnost, etiologiju i učestalost jesu li dvostruki lanci u DNA rezultat zračenja X-zrakama ili slučajnih mutacija DNA sebe.