Hoe röntgenenergie te berekenen

De algemene formule voor energie van een enkel foton van een elektromagnetische golf zoals een röntgenstraal wordt gegeven doorDe vergelijking van Planck​:

in welke energieEin Joules is gelijk aan het product van de constante van Planckh​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) en de frequentieν(uitgesproken als "nu") in eenheden van s^-1. Voor een gegeven frequentie van een elektromagnetische golf kun je met deze vergelijking de bijbehorende röntgenenergie voor een enkel foton berekenen. Het is van toepassing op alle vormen van elektromagnetische straling, inclusief zichtbaar licht, gammastraling en röntgenstraling.

•••Syed Hussain Ather

De vergelijking van Planck hangt af van golfachtige eigenschappen van licht. Als je je licht voorstelt als een golf, zoals weergegeven in het bovenstaande diagram, kun je je voorstellen dat het een amplitude, frequentie en golflengte heeft, net als een oceaangolf of een geluidsgolf. De amplitude meet de hoogte van één kam zoals weergegeven en komt over het algemeen overeen met de helderheid of intensiteit van de golf, en de golflengte meet de horizontale afstand die een volledige cyclus van de golf dekt. De frequentie is het aantal volledige golflengten dat elke seconde een bepaald punt passeert.

•••Syed Hussain Ather

Als onderdeel van het elektromagnetische spectrum kun je de frequentie of golflengte van een röntgenstraal bepalen als je de een of de ander kent. Vergelijkbaar met de vergelijking van Planck, deze frequentieνvan een elektromagnetische golf heeft betrekking op de lichtsnelheidc, 3x 10^-8 m/s, met de vergelijking

waarin λ de golflengte van de golf is. De lichtsnelheid blijft in alle situaties en voorbeelden constant, dus deze vergelijking laat zien hoe frequentie en golflengte van een elektromagnetische golf omgekeerd evenredig zijn met elkaar.

In het bovenstaande diagram zijn de verschillende golflengten van verschillende soorten golven weergegeven. Röntgenstraling ligt tussen ultraviolet (UV) en gammastraling in het spectrum, zodat de röntgeneigenschappen van golflengte en frequentie daartussen vallen.

Kortere golflengten duiden op een grotere energie en frequentie die risico's voor de menselijke gezondheid kunnen opleveren. Zonnebrandmiddelen die UV-stralen blokkeren en beschermende jassen en schilden van lood die voorkomen dat röntgenstralen de huid binnendringen, demonstreren deze kracht. Gammastralen uit de ruimte worden gelukkig geabsorbeerd door de atmosfeer van de aarde, waardoor ze mensen niet kunnen schaden.

Ten slotte kan frequentie worden gerelateerd aan periodeTin seconden met de vergelijking

Deze röntgeneigenschappen kunnen ook van toepassing zijn op andere vormen van elektromagnetische straling. Vooral röntgenstraling vertoont deze golfachtige eigenschappen, maar ook deeltjesachtige.

Naast golfachtig gedrag gedragen röntgenstralen zich als een stroom deeltjes alsof een enkele golf van een röntgenstraal bestond uit het ene deeltje na het andere dat botste met objecten en bij een botsing absorbeerde, reflecteerde of passeerde door.

Omdat de vergelijking van Planck energie gebruikt in de vorm van enkele fotonen, zeggen wetenschappers dat elektromagnetische lichtgolven worden "gekwantiseerd" tot deze "pakketten" energie. Ze zijn gemaakt van specifieke hoeveelheden foton die discrete hoeveelheden energie dragen die quanta worden genoemd. Omdat atomen fotonen absorberen of uitzenden, nemen ze respectievelijk toe in energie of verliezen ze deze. Deze energie kan de vorm aannemen van elektromagnetische straling.

In 1923 legde de Amerikaanse natuurkundige William Duane uit hoe röntgenstralen in kristallen zouden breken door dit deeltjesachtige gedrag. Duane gebruikte de gekwantiseerde impulsoverdracht van de geometrische structuur van het brekende kristal om uit te leggen hoe verschillende röntgengolven zich zouden gedragen wanneer ze door het materiaal gaan.

Röntgenstralen vertonen, net als andere vormen van elektromagnetische straling, deze golf-deeltjesdualiteit waarmee wetenschappers hun gedrag kunnen beschrijven alsof ze tegelijkertijd zowel deeltjes als golven zijn. Ze stromen als golven met een golflengte en frequentie terwijl ze hoeveelheden deeltjes uitzenden alsof het bundels deeltjes zijn.

Vernoemd naar de Duitse natuurkundige Maxwell Planck, schrijft de vergelijking van Planck voor dat licht zich op deze golfachtige manier gedraagt, licht vertoont ook deeltjesachtige eigenschappen. Deze golf-deeltjesdualiteit van licht betekent dat, hoewel de energie van licht afhangt van zijn frequentie, het nog steeds komt in discrete hoeveelheden energie die worden bepaald door fotonen.

Wanneer de fotonen van röntgenstralen in contact komen met verschillende materialen, worden sommige door het materiaal geabsorbeerd, terwijl andere erdoorheen gaan. Met de röntgenstralen die erdoorheen gaan, kunnen artsen interne beelden van het menselijk lichaam maken.

Geneeskunde, industrie en verschillende onderzoeksgebieden door middel van natuurkunde en scheikunde gebruiken röntgenstralen op verschillende manieren. Onderzoekers op het gebied van medische beeldvorming gebruiken röntgenstralen om diagnoses te stellen om aandoeningen in het menselijk lichaam te behandelen. Radiotherapie heeft toepassingen in de behandeling van kanker.

Industrieel ingenieurs gebruiken röntgenstralen om ervoor te zorgen dat metalen en andere materialen de juiste eigenschappen hebben die nodig zijn voor: doeleinden zoals het identificeren van scheuren in gebouwen of het creëren van constructies die bestand zijn tegen grote hoeveelheden druk.

Onderzoek naar röntgenstraling in synchrotron-faciliteiten stelt bedrijven in staat wetenschappelijke instrumenten te maken die worden gebruikt in spectroscopie en beeldvorming. Deze synchrotrons gebruiken grote magneten om licht te buigen en de fotonen te dwingen golfachtige banen te nemen. versneld in cirkelvormige bewegingen bij deze faciliteiten, wordt hun straling lineair gepolariseerd om grote hoeveelheden. te produceren macht. De machine stuurt de röntgenstralen vervolgens door naar andere versnellers en onderzoeksfaciliteiten.

De toepassingen van röntgenstraling in de geneeskunde creëerden geheel nieuwe, innovatieve behandelmethoden. Röntgenstralen werden een integraal onderdeel van het proces van het identificeren van symptomen in het lichaam door hun niet-invasieve aard, waardoor ze een diagnose konden stellen zonder dat ze fysiek het lichaam hoefden te betreden. Röntgenfoto's hadden ook het voordeel dat ze artsen begeleidden bij het inbrengen, verwijderen of aanpassen van medische hulpmiddelen bij patiënten.

Er zijn drie hoofdtypen röntgenbeeldvorming die in de geneeskunde worden gebruikt. De eerste, radiografie, beeldt het skelet af met slechts kleine hoeveelheden straling. Met de tweede, fluoroscopie, kunnen professionals de interne toestand van een patiënt in realtime bekijken. Medische onderzoekers hebben dit gebruikt om patiënten barium te voeren om de werking van hun spijsverteringskanaal te observeren en slokdarmaandoeningen en aandoeningen te diagnosticeren.

Ten slotte kunnen patiënten met computertomografie onder een ringvormige scanner gaan liggen om een ​​driedimensionaal beeld te creëren van de interne organen en structuren van de patiënt. De driedimensionale beelden worden samengevoegd uit vele dwarsdoorsnedebeelden die van het lichaam van de patiënt zijn genomen.

De Duitse werktuigbouwkundige Wilhelm Conrad Roentgen ontdekte röntgenstralen terwijl hij met kathodestraalbuizen werkte, een apparaat dat elektronen afvuurde om afbeeldingen te produceren. De buis gebruikte een glazen omhulsel dat de elektroden in een vacuüm in de buis beschermde. Door elektrische stromen door de buis te sturen, observeerde Roentgen hoe verschillende elektromagnetische golven door het apparaat werden uitgezonden.

Toen Röntgen een dik zwart papier gebruikte om de buis te beschermen, ontdekte hij dat de buis een groen fluorescerend licht uitstraalde, een röntgenstraal, die door het papier kon gaan en andere materialen van energie kon voorzien. Hij ontdekte dat wanneer geladen elektronen met een bepaalde hoeveelheid energie met materiaal zouden botsen, er röntgenstraling werd geproduceerd.

Door ze "röntgenstralen" te noemen, hoopte Roentgen hun mysterieuze, onbekende aard vast te leggen. Röntgen ontdekte dat het door menselijk weefsel kon gaan, maar niet door bot of metaal. Eind 1895 maakte de ingenieur een afbeelding van de hand van zijn vrouw met behulp van de röntgenfoto's en een afbeelding van gewichten in een doos, een opmerkelijke prestatie in de röntgengeschiedenis.

Al snel raakten wetenschappers en ingenieurs gefascineerd door de mysterieuze aard van de röntgenstraling en begonnen ze de mogelijkheden voor röntgengebruik te verkennen. De röntgen (R) zou een inmiddels ter ziele gegane eenheid worden voor het meten van stralingsblootstelling die zou worden gedefinieerd als de hoeveelheid van blootstelling die nodig is om een ​​enkele positieve en negatieve eenheid van elektrostatische lading voor droge lucht te maken.

Het produceren van afbeeldingen van de interne skelet- en orgaanstructuren van mensen en andere wezens, chirurgen en medische onderzoekers creëerden innovatieve technieken om het menselijk lichaam te begrijpen of uit te zoeken waar kogels zich bevonden gewonde soldaten.

In 1896 pasten wetenschappers de technieken al toe om erachter te komen door welke soorten materie röntgenstraling kon gaan. Helaas zouden de buizen die röntgenstralen produceren kapot gaan onder de grote hoeveelheden spanning die nodig zijn voor industriële doeleinden tot de Coolidge-buizen van 1913 van de Amerikaanse natuurkundige-ingenieur William D. Coolidge gebruikte een wolfraamfilament voor een nauwkeurigere visualisatie in het nieuw geboren gebied van de radiologie. Het werk van Coolidge zou röntgenbuizen stevig in het natuurkundig onderzoek verankeren.

Het industriële werk nam een ​​hoge vlucht met de productie van gloeilampen, fluorescentielampen en vacuümbuizen. Fabrieken produceerden röntgenfoto's, röntgenfoto's, van stalen buizen om hun interne structuren en samenstelling te verifiëren. In de jaren dertig had General Electric Company een miljoen röntgengeneratoren voor industriële radiografie geproduceerd. De American Society of Mechanical Engineers begon röntgenstralen te gebruiken om gelaste drukvaten aan elkaar te smelten.

Gezien de hoeveelheid energie die röntgenstralen inpakken met hun korte golflengten en hoge frequenties, terwijl de samenleving röntgenstralen op verschillende gebieden en disciplines omarmde, blootstelling aan röntgenstraling zou ertoe leiden dat mensen oogirritatie, orgaanfalen en brandwonden op de huid krijgen, soms zelfs met verlies van ledematen en leeft. Deze golflengten van het elektromagnetische spectrum zouden chemische bindingen kunnen verbreken die mutaties in het DNA of veranderingen in de moleculaire structuur of cellulaire functie in levende weefsels zouden veroorzaken.

Meer recent onderzoek naar röntgenstralen heeft aangetoond dat deze mutaties en chemische afwijkingen kanker kunnen veroorzaken, en wetenschappers schatten dat 0,4% van de kankers in de Verenigde Staten wordt veroorzaakt door CT-scans. Toen röntgenstralen in populariteit toenamen, begonnen onderzoekers niveaus van röntgendosering aan te bevelen die als veilig werden beschouwd.

Toen de samenleving de kracht van röntgenstralen omarmde, begonnen artsen, wetenschappers en andere professionals hun bezorgdheid te uiten over de negatieve gezondheidseffecten van röntgenstralen. Terwijl onderzoekers observeerden hoe röntgenstralen door het lichaam zouden gaan zonder goed te letten op hoe de golven die specifiek gericht waren op delen van het lichaam, hadden ze weinig reden om aan te nemen dat röntgenstralen dat zouden kunnen zijn gevaarlijk.

Ondanks de negatieve implicaties van röntgentechnologieën voor de menselijke gezondheid, kunnen de effecten ervan worden gecontroleerd en gehandhaafd om onnodige schade of risico's te voorkomen. Hoewel kanker van nature 1 op de 5 Amerikanen treft, verhoogt een CT-scan het risico op kanker over het algemeen met 0,05 procent, en sommige onderzoekers beweren dat een lage blootstelling aan röntgenstraling misschien niet eens bijdraagt ​​​​aan het individuele risico op kanker.

Het menselijk lichaam heeft zelfs ingebouwde manieren om schade veroorzaakt door lage doseringen röntgenstralen te herstellen, volgens een onderzoek in het American Journal of Clinical Oncology, wat suggereert dat röntgenscans geen significant risico vormen voor alle.

Kinderen lopen een groter risico op hersenkanker en leukemie bij blootstelling aan röntgenstralen. Om deze reden, wanneer een kind een röntgenscan nodig heeft, bespreken artsen en andere professionals de risico's met voogden van de familie van het kind om toestemming te geven.

Blootstelling aan grote hoeveelheden röntgenstralen kan leiden tot braken, bloedingen, flauwvallen, haarverlies en huidverlies. Ze kunnen mutaties in het DNA veroorzaken omdat ze net genoeg energie hebben om bindingen tussen DNA-moleculen te verbreken.

Het is nog steeds moeilijk om te bepalen of mutaties in het DNA het gevolg zijn van röntgenstraling of willekeurige mutaties van het DNA zelf. Wetenschappers kunnen de aard van mutaties bestuderen, inclusief hun waarschijnlijkheid, etiologie en frequentie om te bepalen of de dubbelstrengige breuken in het DNA het gevolg waren van röntgenstraling of de willekeurige mutaties van DNA? zelf.