Kā aprēķināt rentgena enerģiju

Elektromagnētiskā viļņa, piemēram, rentgena, viena fotona enerģijas vispārējo formulu izsakaPlankas vienādojums​:

kurā enerģijaEdžoulos ir vienāds ar Plankas konstantes reizinājumuh​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) un biežumuν(izrunā "nu") s vienībās^-1. Noteiktai elektromagnētiskā viļņa frekvencei jūs varat aprēķināt saistīto rentgena enerģiju vienam fotonam, izmantojot šo vienādojumu. Tas attiecas uz visiem elektromagnētiskā starojuma veidiem, ieskaitot redzamo gaismu, gamma un rentgena starus.

•••Syed Hussain Ather

Plankas vienādojums ir atkarīgs no gaismas viļņainajām īpašībām. Ja jūs iztēlojaties gaismu kā vilni, kā parādīts diagrammā iepriekš, varat iedomāties, ka tai ir amplitūda, frekvence un viļņa garums tieši tāpat kā okeāna vilnis vai skaņas vilnis. Amplitūda mēra viena cekula augstumu, kā parādīts, un parasti atbilst spilgtumam vai viļņa intensitāte, un viļņa garums mēra horizontālo attālumu, kas ir pilns viļņa cikls vāki. Frekvence ir pilnu viļņu garumu skaits, kas katru sekundi iet garām noteiktam punktam.

•••Syed Hussain Ather

Kā daļu no elektromagnētiskā spektra jūs varat noteikt rentgenstaru frekvenci vai viļņa garumu, kad zināt vienu vai otru. Līdzīgi kā Plancka vienādojums, arī šī frekvenceνelektromagnētiskā viļņa vērtība attiecas uz gaismas ātrumuc, 3 x 10^-8 m / s, ar vienādojumu

kurā λ ir viļņa viļņa garums. Gaismas ātrums paliek nemainīgs visās situācijās un piemēros, tāpēc šis vienādojums parāda, kā elektromagnētiskā viļņa frekvence un viļņa garums ir apgriezti proporcionāli viens otram.

Iepriekš minētajā diagrammā ir parādīti dažādu viļņu dažādu viļņu garumi. Rentgenstari spektrā atrodas starp ultravioletajiem (UV) un gamma stariem, tāpēc viļņa garuma un frekvences rentgena īpašības samazinās starp tiem.

Īsāki viļņu garumi norāda uz lielāku enerģiju un biežumu, kas var apdraudēt cilvēku veselību. Saules aizsargkrēmi, kas bloķē pret UV stariem, un svina aizsargpārklājumi un vairogi, kas bloķē rentgenstaru iekļūšanu ādā, parāda šo spēku. Gamma starus no kosmosa, par laimi, absorbē Zemes atmosfēra, neļaujot tiem kaitēt cilvēkiem.

Visbeidzot, biežumu var saistīt ar perioduTsekundēs ar vienādojumu

Šīs rentgena īpašības var attiekties arī uz citiem elektromagnētiskā starojuma veidiem. Rentgena starojums jo īpaši parāda šīs viļņainās īpašības, bet arī daļiņām līdzīgās īpašības.

Papildus viļņveida uzvedībai rentgenstari izturas kā daļiņu plūsma, it kā viens rentgena viļņa viļņi sastāvēja no vienas daļiņas pēc otras sadursmes ar priekšmetiem un, saduroties, absorbē, atstaro vai iet garām cauri.

Tā kā Plankas vienādojums izmanto enerģiju atsevišķu fotonu formā, zinātnieki apgalvo, ka elektromagnētiskie gaismas viļņi tiek "kvantēti" šajos enerģijas "paketēs". Tie ir izgatavoti no noteiktiem fotonu daudzumiem, kas pārvadā atsevišķus enerģijas daudzumus, ko sauc par kvantiem. Kad atomi absorbē vai izstaro fotonus, tie attiecīgi palielina enerģiju vai to zaudē. Šī enerģija var izpausties kā elektromagnētiskais starojums.

1923. gadā amerikāņu fiziķis Viljams Duāns paskaidroja, kā rentgena stari kristālos kristāliski izkliedējas, izmantojot šo daļiņām līdzīgo uzvedību. Duāns izmantoja kvantēto impulsa pārnesi no difrakcijas kristāla ģeometriskās struktūras, lai izskaidrotu, kā dažādi rentgenstaru viļņi izturētos, ejot caur materiālu.

Rentgenstari, tāpat kā citi elektromagnētiskā starojuma veidi, parāda šo viļņu-daļiņu dualitāti, kas ļauj zinātniekiem aprakstīt viņu uzvedību tā, it kā tie vienlaikus būtu gan daļiņas, gan viļņi. Tie plūst kā viļņi ar viļņa garumu un frekvenci, vienlaikus izstarojot daļiņu daudzumu tā, it kā tie būtu daļiņu kūļi.

Nosaukts vācu fiziķa Maksvela Planka vārdā, Plankas vienādojums nosaka, ka gaisma uzvedas šādā viļņveidīgā veidā, gaisma parāda arī daļiņām līdzīgas īpašības. Šī gaismas viļņu un daļiņu gaismas dualitāte nozīmē, ka, lai gan gaismas enerģija ir atkarīga no tās frekvences, tā tomēr nāk atsevišķos daudzumos, ko diktē fotoni.

Kad rentgena fotoni nonāk saskarē ar dažādiem materiāliem, dažus no tiem absorbē materiāls, bet citi iet cauri. Rentgens, kas iet cauri, ļauj ārstiem radīt cilvēka ķermeņa iekšējos attēlus.

Medicīnā, rūpniecībā un dažādās fizikas un ķīmijas izpētes jomās rentgenstarus izmanto dažādos veidos. Medicīniskās attēlveidošanas pētnieki izmanto rentgenstarus, veidojot diagnozes, lai ārstētu cilvēka ķermeņa apstākļus. Radioterapija ir pielietojama vēža ārstēšanā.

Rūpniecības inženieri izmanto rentgenstarus, lai nodrošinātu, ka metāliem un citiem materiāliem ir atbilstošas ​​īpašības, kas nepieciešamas tādiem mērķiem kā plaisu identificēšana ēkās vai tādu konstrukciju izveidošana, kas iztur lielu daudzumu spiediens.

Rentgenstaru pētījumi sinhrotronu iekārtās ļauj uzņēmumiem ražot zinātniskus instrumentus, ko izmanto spektroskopijā un attēlveidošanā. Šie sinhroni izmanto lielus magnētus, lai saliektu gaismu un piespiestu fotonus veikt viļņainas trajektorijas, kad paātrina apļveida kustībās šajās iekārtās, to starojums kļūst lineāri polarizēts, lai radītu lielu daudzumu jauda. Pēc tam iekārta novirza rentgenstarus uz citiem akseleratoriem un pētniecības iekārtām.

Rentgenstaru pielietojums medicīnā radīja pilnīgi jaunas, novatoriskas ārstēšanas metodes. Rentgens kļuva par neatņemamu simptomu identificēšanas procesam organismā, izmantojot to neinvazīvo raksturu, kas ļautu viņiem diagnosticēt bez nepieciešamības fiziski iekļūt ķermenī. Rentgenstaru priekšrocība bija arī ārstu vadīšana, kad pacienti ievietoja, izņēma vai modificēja medicīniskās ierīces.

Medicīnā tiek izmantoti trīs galvenie rentgenstaru attēlveidošanas veidi. Pirmais, radiogrāfija, attēlo kaulu sistēmu tikai ar nelielu starojuma daudzumu. Otrā, fluoroskopija, ļauj profesionāļiem reāllaikā aplūkot pacienta iekšējo stāvokli. Medicīnas pētnieki to ir izmantojuši, lai barotu pacientus ar bāriju, lai novērotu viņu gremošanas trakta darbību un diagnosticētu barības vada slimības un traucējumus.

Visbeidzot, datortomogrāfija ļauj pacientiem gulēt zem gredzenveida skenera, lai izveidotu pacienta iekšējo orgānu un struktūru trīsdimensiju attēlu. Trīsdimensiju attēli tiek apkopoti no daudziem pacienta ķermeņa šķērsgriezuma attēliem.

Vācu mašīnbūves inženieris Vilhelms Konrāds Roentgens atklāja rentgenstarus, kamēr viņš strādāja ar katodstaru lampām - ierīci, kas raidīja elektronus, lai radītu attēlus. Caurulē tika izmantota stikla aploksne, kas aizsargāja elektrodus vakuumā caurules iekšpusē. Nosūtot caur strāvu elektriskās strāvas, Roentgens novēroja, kā no ierīces izstaro dažādus elektromagnētiskos viļņus.

Kad Roentgens caurules aizsardzībai izmantoja biezu, melnu papīru, viņš atklāja, ka caurule izstaro zaļu fluorescējošu gaismu, rentgena staru, kas varētu iziet cauri papīram un dot enerģiju citiem materiāliem. Viņš atklāja, ka tad, kad noteikta enerģijas daudzuma uzlādēti elektroni saduras ar materiālu, tika radīti rentgena stari.

Nosaucot viņus par "rentgena stariem", Roentgens cerēja noķert viņu noslēpumaino, nezināmo dabu. Roentgens atklāja, ka tas var iziet caur cilvēka audiem, bet ne caur kauliem vai metālu. 1895. gada beigās inženieris izveidoja sievas rokas attēlu, izmantojot rentgenstarus, kā arī svaru attēlu kastē, kas ir ievērojams sasniegums rentgena vēsturē.

Drīz zinātniekus un inženierus pievilināja rentgena noslēpumainā daba, kas sāka izpētīt rentgenstaru izmantošanas iespējas. Roentgen (R) kļūtu par vairs nedarbināmu starojuma iedarbības mērīšanas vienību, kas tiktu definēta kā summa ekspozīcijas, kas nepieciešama, lai sausam gaisam izveidotu vienu pozitīvu un negatīvu elektrostatiskās lādiņa vienību.

Cilvēku un citu radību, ķirurgu un medicīnas cilvēku iekšējo skeleta un orgānu struktūru attēlu izgatavošana pētnieki radīja novatoriskas metodes, kā izprast cilvēka ķermeni vai noskaidrot, kur atrodas lodes ievainoti karavīri.

1896. gadā zinātnieki jau izmantoja paņēmienus, lai noskaidrotu, kāda veida vielas rentgenstari varētu iziet cauri. Diemžēl caurules, kas ražo rentgena starus, sadalītos lielos sprieguma daudzumos, kas nepieciešami rūpnieciskām vajadzībām, līdz amerikāņu fiziķa inženiera Viljama D 1913. gada Coolidge caurulēm. Kūlidžs izmantoja volframa pavedienu, lai precīzāk vizualizētu jaunizveidotajā radioloģijas jomā. Kūlidža darbs rentgenstaru lampas stingri iezemēs fizikas pētījumos.

Rūpnieciskais darbs sākās ar spuldžu, dienasgaismas spuldžu un vakuuma lampu ražošanu. Ražošanas rūpnīcas izgatavoja tērauda cauruļu rentgenogrammas, rentgena attēlus, lai pārbaudītu to iekšējo struktūru un sastāvu. Līdz 1930. gadiem General Electric Company ražoja vienu miljonu rentgena ģeneratoru rūpnieciskai radiogrāfijai. Amerikas Mašīnbūves biedrība sāka izmantot rentgenstarus metināto spiedtvertņu sapludināšanai.

Ņemot vērā to, cik daudz enerģijas rentgenstari pilda ar īsajiem viļņu garumiem un augstajām frekvencēm, sabiedrībai uzņemot rentgenstarus dažādās jomās un disciplīnās, rentgenstaru iedarbība izraisītu acu kairinājumu, orgānu mazspēju un ādas apdegumus, dažkārt pat zaudējot ekstremitātes un dzīvo. Šie elektromagnētiskā spektra viļņu garumi varētu pārtraukt ķīmiskās saites, kas izraisītu DNS mutācijas vai izmaiņas molekulu struktūrā vai šūnu funkcijās dzīvos audos.

Jaunāki rentgenstaru pētījumi ir parādījuši, ka šīs mutācijas un ķīmiskās novirzes var izraisīt vēzi, un zinātnieki lēš, ka 0,4% vēža gadījumu Amerikas Savienotajās Valstīs izraisa datortomogrāfija. Pieaugot rentgenstaru popularitātei, pētnieki sāka ieteikt rentgenstaru devu līmeņus, kas tika uzskatīti par drošiem.

Kad sabiedrība izmantoja rentgenstaru spēku, ārsti, zinātnieki un citi profesionāļi sāka paust bažas par rentgenstaru negatīvo ietekmi uz veselību. Pētnieki novēroja, kā rentgenstari iziet cauri ķermenim, nepievēršot īpašu uzmanību tam, kā viļņi, kas īpaši vērsti uz ķermeņa zonām, viņiem nebija maz pamata uzskatīt, ka rentgenstari varētu būt bīstams.

Neskatoties uz rentgena tehnoloģiju negatīvo ietekmi uz cilvēku veselību, to ietekmi var kontrolēt un uzturēt, lai novērstu nevajadzīgu kaitējumu vai risku. Kaut arī vēzis dabiski ietekmē 1 no 5 amerikāņiem, datortomogrāfija parasti palielina vēža risku līdz 0,05 procenti, un daži pētnieki apgalvo, ka zema rentgenstaru iedarbība var pat neveicināt indivīda risku vēzis.

Cilvēka ķermenī ir pat iebūvēti veidi, kā novērst bojājumus, ko rada nelielas rentgenstaru devas, liecina pētījums American Journal of Clinical Oncology, liekot domāt, ka rentgenstaru skenēšana nerada būtisku risku visi.

Bērniem, pakļaujot rentgena stariem, ir lielāks smadzeņu vēža un leikēmijas risks. Šī iemesla dēļ, kad bērnam var būt nepieciešama rentgena skenēšana, ārsti un citi speciālisti apspriež riskus ar bērna ģimenes aizbildņiem, lai sniegtu piekrišanu.

Liela rentgena staru iedarbība var izraisīt vemšanu, asiņošanu, ģīboni, matu izkrišanu un ādas zudumu. Tie var izraisīt DNS mutācijas, jo viņiem ir tieši tik daudz enerģijas, lai pārtrauktu saites starp DNS molekulām.

Joprojām ir grūti noteikt, vai DNS mutācijas ir saistītas ar rentgenstaru vai nejaušām pašas DNS mutācijām. Zinātnieki var izpētīt mutāciju būtību, ieskaitot to varbūtību, etioloģiju un biežumu, lai noteiktu vai DNS dubultās virknes pārtraukumi bija rentgena starojuma vai nejaušu DNS mutāciju rezultāts pati.