Jak obliczyć energię rentgenowską

Ogólny wzór na energię pojedynczego fotonu fali elektromagnetycznej, takiej jak promieniowanie rentgenowskie, jest określony wzoremRównanie Plancka​:

w której energiamiw dżulach jest równy iloczynowi stałej Planckah​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) i częstotliwośćν(wymawiane „nu”) w jednostkach s^-1. Dla danej częstotliwości fali elektromagnetycznej, korzystając z tego równania, można obliczyć skojarzoną energię promieniowania rentgenowskiego dla pojedynczego fotonu. Dotyczy wszystkich form promieniowania elektromagnetycznego, w tym światła widzialnego, promieni gamma i promieni rentgenowskich.

•••Syed Hussain Ather

Równanie Plancka zależy od falowych właściwości światła. Jeśli wyobrazisz sobie światło jako falę, jak pokazano na powyższym schemacie, możesz sobie wyobrazić, że ma ono amplitudę, częstotliwość i długość fali, podobnie jak fala oceaniczna lub fala dźwiękowa. Amplituda mierzy wysokość jednego grzbietu, jak pokazano i ogólnie odpowiada jasności lub intensywność fali, a długość fali mierzy odległość poziomą, jaką pełny cykl fali obejmuje. Częstotliwość to liczba pełnych długości fal, które przechodzą przez dany punkt w ciągu sekundy.

•••Syed Hussain Ather

W ramach widma elektromagnetycznego możesz określić częstotliwość lub długość fali promieniowania rentgenowskiego, gdy znasz jedno lub drugie. Podobnie jak w równaniu Plancka, ta częstotliwośćνfali elektromagnetycznej odnosi się do prędkości światłado, 3x10^-8 m/s, z równaniem

gdzie λ jest długością fali. Prędkość światła pozostaje stała we wszystkich sytuacjach i przykładach, więc to równanie pokazuje, jak częstotliwość i długość fali elektromagnetycznej są odwrotnie proporcjonalne do siebie.

Na powyższym schemacie pokazane są różne długości fal różnych typów fal. Promieniowanie rentgenowskie znajduje się w widmie pomiędzy promieniowaniem ultrafioletowym (UV) i gamma, więc właściwości promieniowania rentgenowskiego dotyczące długości fali i częstotliwości spadają między nimi.

Krótsze długości fal oznaczają większą energię i częstotliwość, które mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia ludzkiego. Filtry przeciwsłoneczne, które blokują promieniowanie UV oraz powłoki ochronne i osłony z ołowiu, które blokują przedostawanie się promieni rentgenowskich do skóry, wykazują tę moc. Promienie gamma z kosmosu są na szczęście pochłaniane przez ziemską atmosferę, dzięki czemu nie szkodzą ludziom.

Wreszcie częstotliwość może być związana z okresemTw kilka sekund z równaniem

Te właściwości promieniowania rentgenowskiego mogą również dotyczyć innych form promieniowania elektromagnetycznego. Zwłaszcza promieniowanie rentgenowskie wykazuje właściwości falopodobne, ale także cząsteczkowe.

Oprócz zachowań falowych, promienie rentgenowskie zachowują się jak strumień cząstek, jakby pojedyncza fala promieniowania rentgenowskiego składał się z jednej cząstki po drugiej zderzającej się z obiektami i po zderzeniu pochłaniał, odbijał lub przechodził przez.

Ponieważ równanie Plancka wykorzystuje energię w postaci pojedynczych fotonów, naukowcy twierdzą, że fale elektromagnetyczne światła są „skwantowane” w te „pakiety” energii. Składają się z określonych ilości fotonów, które niosą ze sobą dyskretne ilości energii zwanej kwantami. Gdy atomy pochłaniają lub emitują fotony, odpowiednio zwiększają energię lub ją tracą. Ta energia może przybrać formę promieniowania elektromagnetycznego.

W 1923 roku amerykański fizyk William Duane wyjaśnił, w jaki sposób promienie rentgenowskie będą uginać się w kryształach poprzez zachowania podobne do cząstek. Duane wykorzystał skwantowany transfer pędu ze struktury geometrycznej kryształu dyfrakcyjnego, aby wyjaśnić, jak zachowywałyby się różne fale rentgenowskie podczas przechodzenia przez materiał.

Promienie rentgenowskie, podobnie jak inne formy promieniowania elektromagnetycznego, wykazują tę dualność falowo-cząsteczkową, która pozwala naukowcom opisać ich zachowanie tak, jakby były jednocześnie cząstkami i falami. Płyną one jak fale o długości fali i częstotliwości, emitując ilości cząstek tak, jakby były wiązkami cząstek.

Nazwane na cześć niemieckiego fizyka Maxwella Plancka, równanie Plancka dyktuje, że światło zachowuje się w sposób podobny do fali, światło wykazuje również właściwości podobne do cząstek. Ta dwoistość falowo-cząsteczkowa światła oznacza, że ​​chociaż energia światła zależy od jego częstotliwości, to nadal jest ono dostarczane w postaci dyskretnych ilości energii dyktowanych przez fotony.

Kiedy fotony promieni rentgenowskich wchodzą w kontakt z różnymi materiałami, niektóre z nich są pochłaniane przez materiał, podczas gdy inne przechodzą. Przechodzące przez nie promienie rentgenowskie pozwalają lekarzom tworzyć wewnętrzne obrazy ludzkiego ciała.

Medycyna, przemysł i różne dziedziny badań poprzez fizykę i chemię wykorzystują promieniowanie rentgenowskie na różne sposoby. Naukowcy zajmujący się obrazowaniem medycznym wykorzystują promienie rentgenowskie do tworzenia diagnoz w leczeniu stanów w ludzkim ciele. Radioterapia ma zastosowanie w leczeniu raka.

Inżynierowie przemysłowi używają promieni rentgenowskich, aby zapewnić metalom i innym materiałom odpowiednie właściwości niezbędne do celów, takich jak identyfikacja pęknięć w budynkach lub tworzenie konstrukcji, które mogą wytrzymać duże ilości nacisk.

Badania promieniowania rentgenowskiego w obiektach synchrotronowych pozwalają firmom produkować instrumenty naukowe wykorzystywane w spektroskopii i obrazowaniu. Te synchrotrony wykorzystują duże magnesy do zaginania światła i zmuszania fotonów do przyjmowania trajektorii falowych, gdy promieniowanie rentgenowskie jest przyspieszone w ruchach okrężnych w tych obiektach, ich promieniowanie staje się liniowo spolaryzowane, aby wytworzyć duże ilości moc. Maszyna następnie przekierowuje promieniowanie rentgenowskie na inne akceleratory i obiekty badawcze.

Zastosowania promieni rentgenowskich w medycynie stworzyły zupełnie nowe, innowacyjne metody leczenia. Promienie rentgenowskie stały się integralną częścią procesu identyfikacji objawów w ciele dzięki ich nieinwazyjnej naturze, która pozwoliła im diagnozować bez konieczności fizycznego wchodzenia do organizmu. Promienie rentgenowskie miały również tę zaletę, że kierowały lekarzami podczas wkładania, wyjmowania lub modyfikowania urządzeń medycznych u pacjentów.

W medycynie stosuje się trzy główne rodzaje obrazowania rentgenowskiego. Pierwsza, radiografia, obrazuje układ kostny przy użyciu tylko niewielkich ilości promieniowania. Druga, fluoroskopia, pozwala profesjonalistom zobaczyć stan wewnętrzny pacjenta w czasie rzeczywistym. Naukowcy medyczni wykorzystali to do karmienia pacjentów barem, aby obserwować pracę ich przewodu pokarmowego i diagnozować choroby i zaburzenia przełyku.

Wreszcie, tomografia komputerowa pozwala pacjentom położyć się pod skanerem w kształcie pierścienia, aby stworzyć trójwymiarowy obraz narządów wewnętrznych i struktur pacjenta. Trójwymiarowe obrazy są agregowane z wielu wykonanych przekrojowych obrazów ciała pacjenta.

Niemiecki inżynier mechanik Wilhelm Conrad Roentgen odkrył promieniowanie rentgenowskie podczas pracy z lampami katodowymi, urządzeniem, które wystrzeliwuje elektrony w celu wytworzenia obrazów. W rurce zastosowano szklaną powłokę, która chroniła elektrody w próżni wewnątrz rurki. Przesyłając prądy elektryczne przez rurkę, Roentgen zaobserwował, jak różne fale elektromagnetyczne są emitowane z urządzenia.

Kiedy Roentgen użył grubego czarnego papieru do ochrony tuby, odkrył, że tuba emituje zielone światło fluorescencyjne, promieniowanie rentgenowskie, które może przechodzić przez papier i zasilać inne materiały. Odkrył, że kiedy naładowane elektrony o określonej energii zderzają się z materiałem, powstają promienie rentgenowskie.

Nazywając je „prześwietleniami rentgenowskimi”, Roentgen miał nadzieję uchwycić ich tajemniczą, nieznaną naturę. Roentgen odkrył, że może przenikać przez tkankę ludzką, ale nie przez kości ani metal. Pod koniec 1895 roku inżynier stworzył obraz dłoni swojej żony za pomocą promieni rentgenowskich, a także obraz ciężarków w pudełku, co jest znaczącym wyczynem w historii rentgenowskiej.

Wkrótce naukowcy i inżynierowie zostali zwabieni tajemniczą naturą promieni rentgenowskich, zaczęli badać możliwości wykorzystania promieni rentgenowskich. Rentgen (R) stanie się nieistniejącą już jednostką pomiaru narażenia na promieniowanie, która będzie definiowana jako ilość ekspozycji niezbędnej do wytworzenia jednej dodatniej i ujemnej jednostki ładunku elektrostatycznego dla suchego powietrza.

Wytwarzanie obrazów wewnętrznych struktur szkieletowych i narządów człowieka i innych stworzeń, chirurgów i lekarzy badacze stworzyli innowacyjne techniki zrozumienia ludzkiego ciała lub ustalenia, gdzie znajdowały się kule ranni żołnierze.

W 1896 roku naukowcy stosowali już techniki, aby dowiedzieć się, przez jakie typy materii może przechodzić promieniowanie rentgenowskie. Niestety, lampy wytwarzające promieniowanie rentgenowskie psują się pod wpływem dużych ilości napięcia potrzebnego do celów przemysłowych, aż do lamp Coolidge'a z 1913 roku amerykańskiego fizyka-inżyniera Williama D. Coolidge zastosował żarnik wolframowy do dokładniejszej wizualizacji w nowo narodzonej dziedzinie radiologii. Praca Coolidge'a zapewniłaby solidne uziemienie lamp rentgenowskich w badaniach fizycznych.

Prace przemysłowe rozpoczęły się wraz z produkcją żarówek, świetlówek i lamp próżniowych. Zakłady produkcyjne produkowały radiogramy, zdjęcia rentgenowskie rur stalowych w celu weryfikacji ich wewnętrznej struktury i składu. W latach trzydziestych General Electric Company wyprodukowała milion generatorów rentgenowskich do radiografii przemysłowej. Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Mechanicznych zaczęło używać promieni rentgenowskich do łączenia spawanych zbiorników ciśnieniowych.

Biorąc pod uwagę, ile energii promienie rentgenowskie pakują z ich krótkimi falami i wysokimi częstotliwościami, gdy społeczeństwo przyjęło promienie rentgenowskie w różnych dziedzinach i dyscyplinach, ekspozycja na promienie rentgenowskie powodowałaby podrażnienie oczu, niewydolność narządów i oparzenia skóry, czasami nawet powodując utratę kończyn i zyje. Te długości fal widma elektromagnetycznego mogą zrywać wiązania chemiczne, które powodują mutacje w DNA lub zmiany w strukturze molekularnej lub funkcji komórkowej w żywych tkankach.

Nowsze badania nad promieniami rentgenowskimi wykazały, że te mutacje i aberracje chemiczne mogą powodować raka, a naukowcy szacują, że 0,4% nowotworów w Stanach Zjednoczonych jest spowodowanych tomografią komputerową. Wraz ze wzrostem popularności promieni rentgenowskich naukowcy zaczęli zalecać poziomy dawek promieniowania rentgenowskiego, które uznano za bezpieczne.

Gdy społeczeństwo przyjęło moc promieni rentgenowskich, lekarze, naukowcy i inni profesjonaliści zaczęli wyrażać swoje obawy dotyczące negatywnych skutków zdrowotnych promieni rentgenowskich. Jak naukowcy zaobserwowali, w jaki sposób promienie rentgenowskie przechodzą przez ciało, nie zwracając uwagi na to, jak fale celowały w określone obszary ciała, nie mieli powodu, by sądzić, że promieniowanie rentgenowskie może być niebezpieczny.

Pomimo negatywnych skutków technologii rentgenowskich dla zdrowia ludzkiego, ich skutki mogą być kontrolowane i utrzymywane, aby zapobiec niepotrzebnym szkodom lub ryzyku. Podczas gdy rak naturalnie dotyka 1 na 5 Amerykanów, tomografia komputerowa ogólnie zwiększa ryzyko raka o 0,05 procent, a niektórzy badacze twierdzą, że niska ekspozycja na promieniowanie rentgenowskie może nawet nie przyczyniać się do indywidualnego ryzyka rak.

Według badań ludzkie ciało ma nawet wbudowane sposoby naprawy uszkodzeń spowodowanych niskimi dawkami promieniowania rentgenowskiego w American Journal of Clinical Oncology, sugerując, że skany rentgenowskie nie stanowią żadnego znaczącego ryzyka wszystko.

Dzieci są bardziej narażone na raka mózgu i białaczkę, gdy są narażone na promieniowanie rentgenowskie. Z tego powodu, gdy dziecko może wymagać prześwietlenia rentgenowskiego, lekarze i inni specjaliści omawiają ryzyko z opiekunami rodziny dziecka, aby wyrazić zgodę.

Narażenie na duże ilości promieni rentgenowskich może spowodować wymioty, krwawienie, omdlenia, utratę włosów i utratę skóry. Mogą powodować mutacje w DNA, ponieważ mają wystarczająco dużo energii, aby zerwać wiązania między cząsteczkami DNA.

Nadal trudno jest określić, czy mutacje w DNA są spowodowane promieniowaniem rentgenowskim, czy przypadkowymi mutacjami samego DNA. Naukowcy mogą badać naturę mutacji, w tym ich prawdopodobieństwo, etiologię i częstotliwość, aby określić: czy dwuniciowe pęknięcia w DNA były wynikiem promieniowania rentgenowskiego czy przypadkowych mutacji DNA samo.