כיצד לחשב אנרגיית רנטגן

הנוסחה הכללית לאנרגיה של פוטון יחיד של גל אלקטרומגנטי כגון צילום רנטגן ניתנת על ידיהמשוואה של פלאנק​:

באיזו אנרגיההבג'ול שווה לתוצר הקבוע של פלאנקח​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) והתדירותν(מבוטא "נו") ביחידות של s^-1. עבור תדר נתון של גל אלקטרומגנטי, ניתן לחשב את אנרגיית הרנטגן המשויכת לפוטון יחיד באמצעות משוואה זו. זה חל על כל צורות הקרינה האלקטרומגנטית, כולל אור גלוי, קרני גמא וקרני רנטגן.

•••סייד חוסיין את'ר

המשוואה של פלאנק תלויה בתכונות אור כמו גל. אם אתה מדמיין אור כגל כמוצג בתרשים לעיל, אתה יכול לדמיין שיש לו משרעת, תדר ואורך גל בדיוק כמו שגל אוקיינוס ​​או גל קול עשויים להיות. המשרעת מודדת את גובה הפסגה אחת כפי שמוצג ומתאימה בדרך כלל לבהירות או עוצמת הגל, ואורך הגל מודד את המרחק האופקי שמחזור גל מלא מכסה. התדר הוא מספר אורכי הגל המלאים שעוברים בנקודה נתונה בכל שנייה.

•••סייד חוסיין את'ר

כחלק מהספקטרום האלקטרומגנטי, אתה יכול לקבוע את התדירות או אורך הגל של רנטגן כאשר אתה מכיר את זה או אחר. בדומה למשוואה של פלאנק, תדר זהνשל גל אלקטרומגנטי מתייחס למהירות האורג, 3 x 10^-8 m / s, עם המשוואה

בו λ הוא אורך הגל של הגל. מהירות האור נותרת קבועה בכל המצבים והדוגמאות, ולכן משוואה זו מדגימה כיצד תדר ואורך גל של גל אלקטרומגנטי הם ביחס הפוך זה לזה.

בתרשים שלמעלה מוצגים אורכי הגל השונים של סוגי גלים שונים. צילומי רנטגן נמצאים בין קרני אולטרה סגול (UV) לגמא בספקטרום כך שתכונות רנטגן של אורך הגל והתדירות נופלות ביניהן.

אורכי גל קצרים יותר מצביעים על אנרגיה ותדירות גדולים יותר העלולים להוות סיכונים לבריאות האדם. מסנני קרינה החוסמים קרני UV ומעילי מגן ומגיני עופרת החוסמים קרני רנטגן לחדור לעור מדגימים כוח זה. קרני גמא מהחלל החיצון נספגות למרבה המזל באטמוספירה של כדור הארץ ומונעות מהן לפגוע באנשים.

לבסוף, תדירות יכולה להיות קשורה לתקופהטבשניות עם המשוואה

מאפייני רנטגן אלה יכולים לחול גם על צורות אחרות של קרינה אלקטרומגנטית. קרינת רנטגן בפרט מציגה תכונות דמויי גל אלה, אך גם דומות לחלקיקים.

בנוסף להתנהגויות כמו גל, צילומי רנטגן מתנהגים כמו זרם של חלקיקים כאילו גל יחיד של צילום רנטגן היה מורכב מחלקיק אחד אחרי השני התנגש בחפצים ועם התנגשות סופג, משקף או עובר דרך.

מכיוון שהמשוואה של פלאנק משתמשת באנרגיה בצורת פוטונים בודדים, מדענים אומרים כי גלי אור אלקטרומגנטיים "מכמתים" ל"חבילות "האנרגיה האלה. הם עשויים מכמויות פוטוניות ספציפיות הנושאות כמויות אנרגיה נפרדות הנקראות קוואנטות. כאשר אטומים סופגים או פולטים פוטונים, הם בהתאמה מגדילים אנרגיה או מאבדים אותה. אנרגיה זו יכולה ללבוש צורה של קרינה אלקטרומגנטית.

בשנת 1923 הסביר הפיזיקאי האמריקאי וויליאם דואן כיצד צילומי רנטגן יתפרשו בגבישים באמצעות התנהגויות דומות לחלקיקים אלה. דואן השתמש בהעברת המומנטום הכמותית מהמבנה הגיאומטרי של הגביש המפרק כדי להסביר כיצד יתנהגו גלי רנטגן שונים כאשר הם עוברים דרך החומר.

צילומי רנטגן, כמו צורות אחרות של קרינה אלקטרומגנטית, מציגים דואליות חלקיקי גל זו המאפשרת למדענים לתאר את התנהגותם כאילו שניהם חלקיקים וגלים בו זמנית. הם זורמים כמו גלים באורך גל ובתדירות תוך שהם פולטים כמויות של חלקיקים כאילו היו קורות של חלקיקים.

המשוואה של פלאנק נקראת על שם הפיזיקאי הגרמני מקסוול פלאנק, ומשמשת כי האור מתנהג באופן גל זה, האור מראה גם תכונות דומות לחלקיקים. דואליות זו של חלקיקי גל זו אומרת שלמרות שאנרגיית האור תלויה בתדירותו, היא עדיין מגיעה בכמויות אנרגיה נפרדות המוכתבות על ידי פוטונים.

כאשר הפוטונים של צילומי הרנטגן באים במגע עם חומרים שונים, חלקם נספגים בחומר ואילו אחרים עוברים דרכם. צילומי הרנטגן העוברים דרך מאפשרים לרופאים ליצור דימויים פנימיים של גוף האדם.

רפואה, תעשייה ותחומי מחקר שונים באמצעות פיזיקה וכימיה משתמשים בצילומי רנטגן בדרכים שונות. חוקרי הדמיה רפואית משתמשים בצילומי רנטגן ביצירת אבחנות לטיפול במצבים בגוף האדם. לרדיותרפיה יש יישומים בטיפול בסרטן.

מהנדסי תעשייה משתמשים בצילומי רנטגן כדי להבטיח שמתכות וחומרים אחרים הם בעלי התכונות המתאימות הדרושות להם מטרות כמו זיהוי סדקים בבניינים או יצירת מבנים העומדים בכמויות גדולות של לַחַץ.

מחקר על צילומי רנטגן במתקני סינכרוטרון מאפשר לחברות לייצר מכשירים מדעיים המשמשים בספקטרוסקופיה והדמיה. סינכרוטרונים אלה משתמשים במגנטים גדולים כדי לכופף אור ולאלץ את הפוטונים לקחת מסלולים כמו גל כאשר צילומי רנטגן הם מואצת בתנועות מעגליות במתקנים אלה, קרינתם הופכת לקוטבית ליניארית כדי לייצר כמויות גדולות של כּוֹחַ. לאחר מכן המכונה מפנה מחדש את צילומי הרנטגן לעבר מאיצים ומתקנים אחרים למחקר.

היישומים של צילומי רנטגן ברפואה יצרו שיטות טיפול חדשניות לחלוטין. צילומי רנטגן הפכו להיות בלתי נפרד מתהליך זיהוי הסימפטומים בגוף באמצעות אופיים הלא פולשני שיאפשר להם לאבחן ללא צורך להיכנס פיזית לגוף. לצילומי רנטגן היה גם יתרון בהנחיית רופאים כשהם מכניסים, מסירים או משנים מכשירים רפואיים בתוך המטופלים.

ישנם שלושה סוגים עיקריים של צילומי רנטגן המשמשים ברפואה. הראשון, רדיוגרפיה, מצייר את מערכת השלד בכמויות קרינה קטנות בלבד. השנייה, פלואורוסקופיה, מאפשרת לאנשי מקצוע לראות את מצבו הפנימי של המטופל בזמן אמת. חוקרים רפואיים השתמשו בזה כדי להאכיל את המטופלים בבריום כדי להתבונן על פעולות מערכת העיכול שלהם ולאבחון מחלות והפרעות בוושט.

לבסוף, טומוגרפיה ממוחשבת מאפשרת לחולים לשכב מתחת לסורק בצורת טבעת כדי ליצור תמונה תלת מימדית של האיברים והמבנים הפנימיים של המטופל. התמונות התלת ממדיות מצטברות יחדיו מתוך תמונות חתך רבות שצולמו בגוף המטופל.

מהנדס המכונות הגרמני וילהלם קונרד רואנטגן גילה צילומי רנטגן בזמן שעבד עם צינורות קתודה, מכשיר שירה אלקטרונים לייצור תמונות. הצינור השתמש במעטפת זכוכית שהגנה על האלקטרודות בוואקום בתוך הצינור. באמצעות שליחת זרמים חשמליים דרך הצינור, רואנטגן צפה כיצד נפלטים גלים אלקטרומגנטיים שונים מהמכשיר.

כאשר רנטגן השתמש בנייר שחור עבה כדי להגן על הצינור, הוא גילה שהצינור פולט אור פלואורסצנטי ירוק, צילום רנטגן, שיכול לעבור דרך הנייר ולהמריץ חומרים אחרים. הוא גילה שכאשר אלקטרונים טעונים בכמות מסוימת של אנרגיה יתנגשו בחומר, הופקו צילומי רנטגן.

כינה אותם "צילומי רנטגן", קיווה רואנטגן לתפוס את אופיים המסתורי והלא ידוע. רנטגן גילה שהוא יכול לעבור דרך רקמות אנושיות, אך לא דרך עצם ולא מתכת. בסוף 1895 יצר המהנדס תמונה של אשתו באמצעות צילומי הרנטגן, כמו גם תמונה של משקולות בקופסה, הישג בולט בתולדות הרנטגן.

עד מהרה, מדענים ומהנדסים התפתו לאופיו המסתורי של הרנטגן לבחון את האפשרויות לשימוש ברנטגן. הרואנטגן (ר) יהפוך ליחידת מדידה של חשיפה לקרינה שתוגדר ככמות של חשיפה הדרושה לייצור יחידה חיובית ושלילית אחת של מטען אלקטרוסטטי לאוויר יבש.

הפקת תמונות של מבני השלד והאיברים הפנימיים של בני אדם ויצורים אחרים, מנתחים ורפואה החוקרים יצרו טכניקות חדשניות להבנת גוף האדם או להבין היכן נמצאים כדורים חיילים פצועים.

בשנת 1896 כבר השתמשו המדענים בטכניקות כדי להבין אילו סוגים של חומר רנטגן יכולים לעבור. למרבה הצער, הצינורות המייצרים צילומי רנטגן יתפרקו תחת כמויות המתח הגדולות הדרושות למטרות תעשייתיות עד צינורות קולידג 'בשנת 1913 של הפיזיקאי-מהנדס האמריקאי ויליאם ד. קולידג 'השתמש בחוט טונגסטן להדמיה מדויקת יותר בתחום הרדיולוגיה שזה עתה נולד. עבודתו של קולידג 'תקרקע היטב צינורות רנטגן במחקר הפיזיקה.

העבודה התעשייתית המריאה עם ייצור נורות, מנורות פלורסנט וצינורות ואקום. מפעלי ייצור ייצרו צילומי רנטגן, צילומי רנטגן, של צינורות פלדה כדי לאמת את המבנים וההרכב הפנימיים שלהם. בשנות השלושים של המאה העשרים חברת ג'נרל אלקטריק ייצרה מיליון גנרטורי רנטגן לרדיוגרפיה תעשייתית. האגודה האמריקאית להנדסת מכונות החלה להשתמש בצילומי רנטגן למיזוג כלי לחץ מרותכים יחד.

בהתחשב בכמות האנרגיה של צילומי רנטגן עם אורכי הגל הקצרים והתדרים הגבוהים שלהם, כאשר החברה אימצה את צילומי הרנטגן בתחומים ודיסציפלינות שונות, חשיפה לצילומי רנטגן תגרום לאנשים לחוות גירוי בעיניים, אי ספיקת איברים וכוויות בעור, לפעמים אפילו כתוצאה מאובדן גפיים ו חיים. אורכי גל אלה של הספקטרום האלקטרומגנטי עלולים לשבור קשרים כימיים שיגרמו למוטציות ב- DNA או לשינויים במבנה המולקולרי או לתפקוד הסלולרי ברקמות חיות.

מחקרים עדכניים יותר בנושא צילומי רנטגן הראו כי מוטציות אלו וסטיות כימיות עלולות לגרום לסרטן, ומדענים מעריכים כי 0.4% ממקרי סרטן בארצות הברית נגרמים על ידי סריקות CT. כאשר צילומי הרנטגן עלו בפופולריות, החוקרים החלו להמליץ ​​על רמות של מינון רנטגן שנחשבו לבטוחות.

כשהחברה אימצה את כוחן של צילומי הרנטגן, החלו רופאים, מדענים ואנשי מקצוע אחרים להביע את דאגתם מההשפעות השליליות הבריאותיות של צילומי הרנטגן. כאשר החוקרים הבחינו כיצד צילומי רנטגן יעברו בגוף מבלי לשים לב היטב כיצד גלים התמקדו במיוחד באזורים בגוף, לא הייתה להם סיבה מועטה להאמין שקרני רנטגן יכולות להיות מְסוּכָּן.

למרות ההשלכות השליליות של טכנולוגיות רנטגן על בריאות האדם, ניתן לשלוט ולשמור על השפעותיהן כדי למנוע נזק או סיכון מיותרים. בעוד שסרטן משפיע באופן טבעי על 1 מכל 5 אמריקאים, בדיקת CT מעלה בדרך כלל את הסיכון לסרטן עד .05 אחוזים, ויש חוקרים הטוענים כי חשיפה נמוכה לרנטגן עשויה אפילו לא לתרום לסיכון של אדם סרטן.

לגוף האדם יש אפילו דרכים מובנות לתיקון נזקים הנגרמים על ידי מינונים נמוכים של צילומי רנטגן, על פי מחקר בכתב העת American Journal of Clinical Oncology, מה שמרמז כי סריקות רנטגן אינן מהוות סיכון משמעותי בסיכון את כל.

ילדים נמצאים בסיכון גבוה יותר לסרטן מוח ולויקמיה כאשר הם נחשפים לצילומי רנטגן. מסיבה זו, כאשר ילד עשוי לדרוש צילום רנטגן, רופאים ואנשי מקצוע אחרים דנים בסיכונים עם שומרי משפחת הילד בכדי לספק הסכמה.

חשיפה לכמויות גבוהות של צילומי רנטגן עלולה לגרום להקאות, דימום, התעלפות, אובדן שיער ואובדן עור. הם יכולים לגרום למוטציות ב- DNA מכיוון שיש להם מספיק אנרגיה כדי לשבור קשרים בין מולקולות DNA.

עדיין קשה לקבוע אם מוטציות ב- DNA נובעות מקרינת רנטגן או ממוטציות אקראיות של ה- DNA עצמו. מדענים יכולים לחקור את אופי המוטציות, כולל ההסתברות, האטיולוגיה והתדירות שלהן כדי לקבוע האם ההפסקות הכפולות ב DNA היו תוצאה של קרינת רנטגן או המוטציות האקראיות של ה- DNA את עצמה.