Come calcolare l'energia dei raggi X

La formula generale per l'energia di un singolo fotone di un'onda elettromagnetica come un raggio X è data daL'equazione di Planck​:

in quale energiaEin Joule è uguale al prodotto della costante di Planckh​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) e la frequenzaν(pronunciato "nu") in unità di s^-1. Per una data frequenza di un'onda elettromagnetica, puoi calcolare l'energia dei raggi X associata per un singolo fotone usando questa equazione. Si applica a tutte le forme di radiazione elettromagnetica, compresa la luce visibile, i raggi gamma e i raggi X.

•••Syed Hussain Ather

L'equazione di Planck dipende dalle proprietà ondulatorie della luce. Se immagini la luce come un'onda come mostrato nel diagramma sopra, puoi immaginare che abbia un'ampiezza, una frequenza e una lunghezza d'onda proprio come potrebbero fare un'onda oceanica o un'onda sonora. L'ampiezza misura l'altezza di una cresta come mostrato e generalmente corrisponde alla luminosità o l'intensità dell'onda e la lunghezza d'onda misura la distanza orizzontale che un ciclo completo dell'onda copertine. La frequenza è il numero di lunghezze d'onda complete che passano da un dato punto ogni secondo.

•••Syed Hussain Ather

Come parte dello spettro elettromagnetico, puoi determinare la frequenza o la lunghezza d'onda di un raggio X quando conosci l'uno o l'altro. Simile all'equazione di Planck, questa frequenzaνdi un'onda elettromagnetica si riferisce alla velocità della lucec, 3 x 10^-8 m/s, con l'equazione

dove è la lunghezza d'onda dell'onda. La velocità della luce rimane costante in tutte le situazioni e gli esempi, quindi questa equazione dimostra come frequenza e lunghezza d'onda di un'onda elettromagnetica siano inversamente proporzionali l'una all'altra.

Nel diagramma sopra sono mostrate le varie lunghezze d'onda dei diversi tipi di onde. I raggi X si trovano tra i raggi ultravioletti (UV) e gamma nello spettro, quindi le proprietà dei raggi X di lunghezza d'onda e frequenza cadono tra di loro.

Le lunghezze d'onda più corte indicano una maggiore energia e frequenza che possono comportare rischi per la salute umana. I filtri solari che bloccano i raggi UV e gli strati protettivi e gli scudi di piombo che impediscono ai raggi X di entrare nella pelle dimostrano questo potere. I raggi gamma provenienti dallo spazio sono fortunatamente assorbiti dall'atmosfera terrestre, impedendo loro di danneggiare le persone.

Infine, la frequenza può essere correlata al periodoTin secondi con l'equazione

Queste proprietà dei raggi X possono applicarsi anche ad altre forme di radiazione elettromagnetica. La radiazione a raggi X in particolare mostra queste proprietà ondulatorie, ma anche particellari.

Oltre ai comportamenti ondulatori, i raggi X si comportano come un flusso di particelle come se una singola onda di un raggio X consisteva in una particella dopo l'altra che si scontrava con oggetti e, in caso di collisione, assorbe, riflette o passa attraverso.

Poiché l'equazione di Planck utilizza l'energia sotto forma di singoli fotoni, gli scienziati affermano che le onde elettromagnetiche di luce sono "quantizzate" in questi "pacchetti" di energia. Sono costituiti da quantità specifiche di fotoni che trasportano quantità discrete di energia chiamate quanti. Quando gli atomi assorbono o emettono fotoni, aumentano rispettivamente di energia o la perdono. Questa energia può assumere la forma di radiazione elettromagnetica.

Nel 1923 il fisico americano William Duane spiegò come i raggi X si diffrangessero nei cristalli attraverso questi comportamenti simili a particelle. Duane ha usato il trasferimento quantizzato del momento dalla struttura geometrica del cristallo di diffrazione per spiegare come si sarebbero comportate le diverse onde a raggi X quando passavano attraverso il materiale.

I raggi X, come altre forme di radiazione elettromagnetica, mostrano questa dualità onda-particella che consente agli scienziati di descrivere il loro comportamento come se fossero particelle e onde contemporaneamente. Scorrono come onde con una lunghezza d'onda e una frequenza mentre emettono quantità di particelle come se fossero fasci di particelle.

Prende il nome dal fisico tedesco Maxwell Planck, l'equazione di Planck impone che la luce si comporti in questo modo ondulatorio, la luce mostra anche proprietà simili a particelle. Questa dualità onda-particella della luce significa che, sebbene l'energia della luce dipenda dalla sua frequenza, arriva comunque in quantità discrete di energia dettate dai fotoni.

Quando i fotoni dei raggi X entrano in contatto con materiali diversi, alcuni di essi vengono assorbiti dal materiale mentre altri lo attraversano. I raggi X che passano consentono ai medici di creare immagini interne del corpo umano.

La medicina, l'industria e vari settori della ricerca attraverso la fisica e la chimica utilizzano i raggi X in modi diversi. I ricercatori di imaging medico utilizzano i raggi X nella creazione di diagnosi per trattare le condizioni all'interno del corpo umano. La radioterapia ha applicazioni nel trattamento del cancro.

Gli ingegneri industriali utilizzano i raggi X per garantire che i metalli e altri materiali abbiano le proprietà appropriate necessarie per scopi come l'identificazione di crepe negli edifici o la creazione di strutture in grado di resistere a grandi quantità di pressione.

La ricerca sui raggi X negli impianti di sincrotrone consente alle aziende di produrre strumenti scientifici utilizzati nella spettroscopia e nell'imaging. Questi sincrotroni utilizzano grandi magneti per piegare la luce e costringere i fotoni a prendere traiettorie simili a onde Quando i raggi X sono accelerati in movimenti circolari in queste strutture, la loro radiazione diventa linearmente polarizzata per produrre grandi quantità di energia. La macchina quindi reindirizza i raggi X verso altri acceleratori e strutture per la ricerca.

Le applicazioni dei raggi X in medicina hanno creato metodi di trattamento completamente nuovi e innovativi. I raggi X sono diventati parte integrante del processo di identificazione dei sintomi all'interno del corpo attraverso la loro natura non invasiva che avrebbe permesso loro di diagnosticare senza la necessità di entrare fisicamente nel corpo. I raggi X avevano anche il vantaggio di guidare i medici durante l'inserimento, la rimozione o la modifica dei dispositivi medici all'interno dei pazienti.

Esistono tre tipi principali di imaging a raggi X utilizzati in medicina. La prima, la radiografia, visualizza il sistema scheletrico con solo piccole quantità di radiazioni. Il secondo, la fluoroscopia, consente ai professionisti di visualizzare lo stato interno di un paziente in tempo reale. I ricercatori medici hanno usato questo per nutrire i pazienti con bario per osservare il funzionamento del loro tratto digestivo e diagnosticare malattie e disturbi esofagei.

Infine, la tomografia computerizzata consente ai pazienti di sdraiarsi sotto uno scanner a forma di anello per creare un'immagine tridimensionale degli organi interni e delle strutture del paziente. Le immagini tridimensionali sono aggregate insieme da molte immagini in sezione trasversale prese del corpo del paziente.

L'ingegnere meccanico tedesco Wilhelm Conrad Roentgen ha scoperto i raggi X mentre lavorava con i tubi catodici, un dispositivo che sparava elettroni per produrre immagini. Il tubo utilizzava un involucro di vetro che proteggeva gli elettrodi nel vuoto all'interno del tubo. Inviando correnti elettriche attraverso il tubo, Roentgen ha osservato come diverse onde elettromagnetiche venivano emesse dal dispositivo.

Quando Roentgen usò una spessa carta nera per proteggere il tubo, scoprì che il tubo emetteva una luce fluorescente verde, un raggio X, che poteva passare attraverso la carta ed energizzare altri materiali. Scoprì che, quando gli elettroni carichi di una certa quantità di energia si scontravano con il materiale, venivano prodotti raggi X.

Chiamandoli "raggi X", Roentgen sperava di catturare la loro natura misteriosa e sconosciuta. Roentgen scoprì che poteva passare attraverso i tessuti umani, ma non attraverso le ossa né il metallo. Alla fine del 1895, l'ingegnere creò un'immagine della mano di sua moglie usando i raggi X e un'immagine di pesi in una scatola, un'impresa notevole nella storia dei raggi X.

Ben presto, scienziati e ingegneri furono attratti dalla natura misteriosa dei raggi X e iniziarono a esplorare le possibilità di utilizzo dei raggi X. Il roentgen (R) diventerebbe un'unità di misurazione dell'esposizione alle radiazioni ormai defunta che sarebbe definita come la quantità di esposizione necessaria per realizzare una singola unità positiva e negativa di carica elettrostatica per aria secca.

Produzione di immagini delle strutture scheletriche e organiche interne di esseri umani e altre creature, chirurghi e medici i ricercatori hanno creato tecniche innovative per comprendere il corpo umano o per capire dove si trovavano i proiettili soldati feriti.

Nel 1896, gli scienziati stavano già applicando le tecniche per capire quali tipi di materia potevano attraversare i raggi X. Sfortunatamente, i tubi che producono raggi X si rompono sotto la grande quantità di tensione necessaria per scopi industriali fino ai tubi Coolidge del 1913 del fisico-ingegnere americano William D. Coolidge ha utilizzato un filamento di tungsteno per una visualizzazione più accurata nel campo della radiologia appena nato. Il lavoro di Coolidge metterebbe saldamente a terra i tubi a raggi X nella ricerca fisica.

L'attività industriale decolla con la produzione di lampadine, lampade fluorescenti e tubi a vuoto. Gli stabilimenti di produzione hanno prodotto radiografie, immagini a raggi X, di tubi di acciaio per verificarne le strutture interne e la composizione. Negli anni '30 la General Electric Company aveva prodotto un milione di generatori di raggi X per la radiografia industriale. L'American Society of Mechanical Engineers ha iniziato a utilizzare i raggi X per la fusione di recipienti a pressione saldati insieme.

Data la quantità di energia che i raggi X racchiudono con le loro lunghezze d'onda corte e alte frequenze, poiché la società ha abbracciato i raggi X in vari campi e discipline, il l'esposizione ai raggi X causerebbe alle persone irritazione agli occhi, insufficienza d'organo e ustioni della pelle, a volte anche con conseguente perdita di arti e vite. Queste lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico potrebbero rompere i legami chimici che causerebbero mutazioni nel DNA o cambiamenti nella struttura molecolare o nella funzione cellulare nei tessuti viventi.

Ricerche più recenti sui raggi X hanno dimostrato che queste mutazioni e aberrazioni chimiche possono causare il cancro e gli scienziati stimano che lo 0,4% dei tumori negli Stati Uniti sia causato dalle scansioni TC. Con l'aumento della popolarità dei raggi X, i ricercatori hanno iniziato a raccomandare livelli di dosaggio dei raggi X ritenuti sicuri.

Quando la società ha abbracciato il potere dei raggi X, medici, scienziati e altri professionisti hanno iniziato a esprimere le loro preoccupazioni sugli effetti negativi dei raggi X sulla salute. Come i ricercatori hanno osservato come i raggi X sarebbero passati attraverso il corpo senza prestare molta attenzione a come il onde mirate specificamente ad aree del corpo, avevano poche ragioni per credere che i raggi X potessero essere could pericoloso.

Nonostante le implicazioni negative delle tecnologie a raggi X sulla salute umana, i loro effetti possono essere controllati e mantenuti per prevenire danni o rischi inutili. Mentre il cancro colpisce naturalmente 1 americano su 5, una scansione TC generalmente aumenta il rischio di cancro di 0,05 per cento, e alcuni ricercatori sostengono che una bassa esposizione ai raggi X potrebbe anche non contribuire al rischio di un individuo di cancro.

Secondo uno studio, il corpo umano ha persino modi incorporati per riparare i danni causati da bassi dosaggi di raggi X. nell'American Journal of Clinical Oncology, suggerendo che le scansioni a raggi X non comportano alcun rischio significativo a tutti.

I bambini sono a maggior rischio di cancro al cervello e leucemia se esposti ai raggi X. Per questo motivo, quando un bambino può richiedere una scansione a raggi X, medici e altri professionisti discutono dei rischi con i tutori della famiglia del bambino per fornire il consenso.

L'esposizione a quantità elevate di raggi X può provocare vomito, sanguinamento, svenimento, perdita di capelli e di pelle. Possono causare mutazioni nel DNA perché hanno energia appena sufficiente per rompere i legami tra le molecole di DNA.

È ancora difficile determinare se le mutazioni nel DNA siano dovute a radiazioni a raggi X o mutazioni casuali del DNA stesso. Gli scienziati possono studiare la natura delle mutazioni, compresa la loro probabilità, eziologia e frequenza per determinarle se le rotture del doppio filamento nel DNA fossero il risultato della radiazione a raggi X o delle mutazioni casuali del DNA si.