Hvordan beregne røntgenenergi

Den generelle formelen for energi til en enkelt foton av en elektromagnetisk bølge, for eksempel en røntgen, er gitt avPlancks ligning​:

i hvilken energiEi Joules er lik produktet av Plancks konstanth​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) og frekvensenν(uttalt "nu") i enheter av s^-1. For en gitt frekvens av en elektromagnetisk bølge, kan du beregne den tilhørende røntgenenergien for en enkelt foton ved hjelp av denne ligningen. Det gjelder alle former for elektromagnetisk stråling inkludert synlig lys, gammastråler og røntgenstråler.

•••Syed Hussain Ather

Plancks ligning avhenger av bølgelignende egenskaper av lys. Hvis du forestiller deg lys som en bølge som vist i diagrammet ovenfor, kan du forestille deg at det har en amplitude, frekvens og bølgelengde akkurat som en havbølge eller en lydbølge. Amplituden måler høyden på en topp som vist og tilsvarer generelt lysstyrken eller intensitet av bølgen, og bølgelengden måler den horisontale avstanden som en full syklus av bølgen dekker. Frekvensen er antall fulle bølgelengder som passerer et gitt punkt hvert sekund.

•••Syed Hussain Ather

Som en del av det elektromagnetiske spekteret kan du bestemme enten frekvensen eller bølgelengden til en røntgen når du kjenner det ene eller det andre. I likhet med Plancks ligning, denne frekvensenνav en elektromagnetisk bølge er relatert til lysets hastighetc, 3 x 10^-8 m / s, med ligningen

der λ er bølgelengden til bølgen. Lysets hastighet forblir konstant i alle situasjoner og eksempler, så denne ligningen viser hvordan frekvensen og bølgelengden til en elektromagnetisk bølge er omvendt proporsjonal med hverandre.

I diagrammet ovenfor vises de forskjellige bølgelengdene til forskjellige typer bølger. Røntgenstråler ligger mellom ultrafiolett (UV) og gammastråler i spekteret, slik at røntgenegenskaper av bølgelengde og frekvens faller mellom dem.

Kortere bølgelengder indikerer større energi og frekvens som kan utgjøre en risiko for menneskers helse. Solkremer som blokkerer mot UV-stråler og beskyttende strøk og skjold av bly som blokkerer røntgenstråler fra å komme inn i huden, viser denne kraften. Gammastråler fra verdensrommet absorberes heldigvis av jordens atmosfære, og forhindrer dem i å skade mennesker.

Til slutt kan frekvens relateres til periodeTi sekunder med ligningen

Disse røntgenegenskapene kan også gjelde andre former for elektromagnetisk stråling. Spesielt røntgenstråling viser disse bølgelignende egenskapene, men også partikkellignende.

I tillegg til bølgelignende atferd, oppfører røntgenstråler seg som en strøm av partikler som om en enkelt bølge av en røntgen besto av den ene partikkelen etter den andre kolliderte med gjenstander og absorberer, reflekterer eller passerer ved kollisjon gjennom.

Fordi Plancks ligning bruker energi i form av enkeltfotoner, sier forskere at elektromagnetiske lysbølger blir "kvantisert" til disse "pakkene" med energi. De er laget av spesifikke mengder foton som bærer diskrete mengder energi kalt quanta. Når atomer absorberer eller avgir fotoner, øker de henholdsvis energi eller mister den. Denne energien kan ha form av elektromagnetisk stråling.

I 1923 forklarte den amerikanske fysikeren William Duane hvordan røntgenstråler ville bryte seg i krystaller gjennom denne partikkellignende oppførselen. Duane brukte den kvantiserte momentoverføringen fra den geometriske strukturen til den diffrakterende krystall for å forklare hvordan forskjellige røntgenbølger ville oppføre seg når de passerte gjennom materialet.

Røntgenstråler, som andre former for elektromagnetisk stråling, utviser denne bølgepartikkel-dualiteten som lar forskere beskrive deres oppførsel som om de var både partikler og bølger samtidig. De flyter som bølger med bølgelengde og frekvens mens de sender ut mengder partikler som om de var partikler.

Oppkalt etter den tyske fysikeren Maxwell Planck, dikterer Plancks ligning at lys oppfører seg på denne bølgelignende måten, og viser også partikkelignende egenskaper. Denne bølgepartikkel-dualiteten av lys betyr at selv om lysenergien avhenger av frekvensen, kommer den fremdeles i diskrete mengder energi diktert av fotoner.

Når røntgenstrålenes fotoner kommer i kontakt med forskjellige materialer, blir noen av dem absorbert av materialet mens andre passerer gjennom. Røntgenstrålene som går gjennom lar legene lage indre bilder av menneskekroppen.

Medisin, industri og ulike forskningsområder gjennom fysikk og kjemi bruker røntgen på forskjellige måter. Medisinske bildebehandlingsforskere bruker røntgenstråler for å lage diagnoser for å behandle tilstander i menneskekroppen. Strålebehandling har anvendelser innen kreftbehandling.

Industrielle ingeniører bruker røntgenstråler for å sikre at metaller og andre materialer har de egenskapene som er nødvendige for formål som å identifisere sprekker i bygninger eller lage strukturer som tåler store mengder press.

Forskning på røntgen ved synkrotronanlegg lar selskaper produsere vitenskapelige instrumenter som brukes i spektroskopi og bildebehandling. Disse synkrotronene bruker store magneter til å bøye lys og tvinge fotonene til å ta bølgelignende baner når røntgenstråler er akselereres i sirkulære bevegelser ved disse anleggene, blir deres stråling lineært polarisert for å produsere store mengder makt. Maskinen omdirigerer røntgenstrålene mot andre akseleratorer og forskningsanlegg.

Anvendelsene av røntgen i medisin skapte helt nye, innovative behandlingsmetoder. Røntgenstråler ble integrert i prosessen med å identifisere symptomer i kroppen gjennom deres ikke-invasive natur som ville la dem diagnostisere uten behov for å komme fysisk inn i kroppen. Røntgenstråler hadde også fordelen av å veilede leger når de satte inn, fjernet eller modifiserte medisinsk utstyr hos pasienter.

Det er tre hovedtyper av røntgenbilder brukt i medisin. Den første, radiografi, avbilder skjelettsystemet med bare små mengder stråling. Den andre, fluoroskopi, lar fagpersoner se pasientens indre tilstand i sanntid. Medisinske forskere har brukt dette for å mate pasienter med barium for å observere funksjonene i fordøyelseskanalen og diagnostisere spiserørssykdommer og lidelser.

Endelig lar computertomografi pasienter legge seg under en ringformet skanner for å skape et tredimensjonalt bilde av pasientens indre organer og strukturer. De tredimensjonale bildene er samlet fra mange tverrsnittsbilder tatt av pasientens kropp.

Den tyske maskiningeniøren Wilhelm Conrad Roentgen oppdaget røntgen mens han jobbet med katodestrålerør, en enhet som skjøt elektroner for å produsere bilder. Røret brukte en glasskonvolutt som beskyttet elektrodene i vakuum inne i røret. Ved å sende elektriske strømmer gjennom røret, observerte Roentgen hvordan forskjellige elektromagnetiske bølger ble sendt ut fra enheten.

Da Roentgen brukte et tykt sort papir for å beskytte røret, fant han at røret sendte ut et grønt lysrør, en røntgen, som kunne passere gjennom papiret og stimulere andre materialer. Han fant at når ladede elektroner med en viss mengde energi ville kollidere med materiale, ble det produsert røntgenstråler.

Roentgen kalte dem "røntgenbilder" og håpet å fange deres mystiske, ukjente natur. Roentgen oppdaget at den kunne passere gjennom menneskelig vev, men ikke gjennom bein eller metall. På slutten av 1895 skapte ingeniøren et bilde av konas hånd ved hjelp av røntgenstråler, samt et bilde av vekter i en boks, en bemerkelsesverdig prestasjon i røntgenhistorien.

Snart ble forskere og ingeniører lokket av røntgenens mystiske natur og begynte å utforske mulighetene for røntgenbruk. Roentgen (R) ville bli en nå nedlagte enhet for måling av strålingseksponering som ville bli definert som mengden av eksponering som er nødvendig for å lage en enkelt positiv og negativ enhet med elektrostatisk ladning for tørr luft.

Produserer bilder av de indre skjelett- og organstrukturene til mennesker og andre skapninger, kirurger og medisinske forskere skapte innovative teknikker for å forstå menneskekroppen eller finne ut hvor kulene befant seg sårede soldater.

I 1896 brukte forskere allerede teknikkene for å finne ut hvilke typer materiell røntgenstråler som kunne passere. Dessverre ville rørene som produserer røntgenstråler bryte ned under de store mengder spenning som trengs for industrielle formål frem til Coolidge-rørene fra 1913 til den amerikanske fysikingeniøren William D. Coolidge brukte et wolframfilament for mer nøyaktig visualisering innen det nyfødte radiologiske feltet. Coolidges arbeid ville jorde røntgenrør fast i fysikkforskning.

Industrielt arbeid startet med produksjon av lyspærer, lysrør og vakuumrør. Produksjonsanlegg produserte røntgenbilder, røntgenbilder av stålrør for å verifisere deres indre strukturer og sammensetning. På 1930-tallet hadde General Electric Company produsert en million røntgengeneratorer for industriell radiografi. American Society of Mechanical Engineers begynte å bruke røntgen for å smelte sveisede trykkbeholdere sammen.

Gitt hvor mye energi røntgenstråler pakker med sine korte bølgelengder og høye frekvenser, da samfunnet omfavnet røntgenstråler innen ulike felt og fagområder, eksponering for røntgenstråler vil føre til at enkeltpersoner opplever øyeirritasjon, organsvikt og hudforbrenning, noen ganger til og med til tap av lemmer og bor. Disse bølgelengdene i det elektromagnetiske spekteret kan bryte kjemiske bindinger som vil forårsake mutasjoner i DNA eller endringer i molekylær struktur eller mobilfunksjon i levende vev.

Nyere forskning på røntgenstråler har vist at disse mutasjonene og kjemiske avvik kan forårsake kreft, og forskere anslår 0,4% av kreft i USA er forårsaket av CT-skanning. Da røntgenstråler steg i popularitet, begynte forskere å anbefale nivåer av røntgendosering som ble ansett som trygge.

Da samfunnet omfavnet kraften til røntgenstråler, begynte leger, forskere og andre fagpersoner å uttrykke bekymring for røntgenstrålers negative helseeffekter. Som forskere observerte hvordan røntgenstråler ville passere gjennom kroppen uten å være nøye med hvordan bølger spesielt rettet mot områder av kroppen, hadde de liten grunn til å tro at røntgen kan være farlig.

Til tross for de negative implikasjonene av røntgenteknologi på menneskers helse, kan effektene deres kontrolleres og opprettholdes for å forhindre unødvendig skade eller risiko. Mens kreft naturlig rammer 1 av 5 amerikanere, øker en CT-skanning vanligvis risikoen for kreft innen 0,05 prosent, og noen forskere hevder at lav røntgeneksponering ikke engang kan bidra til individets risiko for kreft.

Menneskekroppen har til og med innebygde måter å reparere skader forårsaket av lave doser av røntgenstråler, ifølge en studie i American Journal of Clinical Oncology, noe som tyder på at røntgenundersøkelser ikke utgjør noen betydelig risiko ved alle.

Barn har større risiko for hjernekreft og leukemi når de blir utsatt for røntgenstråler. Når et barn kan kreve røntgenundersøkelse, diskuterer leger og andre fagpersoner risikoen med foresatte av barnets familie for å gi samtykke.

Eksponering for store mengder røntgen kan føre til oppkast, blødning, besvimelse, tap av hår og tap av hud. De kan forårsake mutasjoner i DNA fordi de har akkurat nok energi til å bryte bindinger mellom DNA-molekyler.

Det er fortsatt vanskelig å avgjøre om mutasjoner i DNA skyldes røntgenstråling eller tilfeldige mutasjoner av DNA selv. Forskere kan studere arten av mutasjoner, inkludert sannsynlighet, etiologi og frekvens for å bestemme om dobbeltstrengsbruddene i DNA var resultatet av røntgenstråling eller tilfeldige mutasjoner av DNA seg selv.