Como calcular a energia do raio-x

A fórmula geral para a energia de um único fóton de uma onda eletromagnética, como um raio-X, é dada porEquação de Planck​:

em qual energiaEem Joules é igual ao produto da constante de Planckh​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) e a frequênciaν(pronuncia-se "nu") em unidades de s^-1. Para uma determinada frequência de uma onda eletromagnética, você pode calcular a energia de raios-X associada para um único fóton usando esta equação. Ele se aplica a todas as formas de radiação eletromagnética, incluindo luz visível, raios gama e raios-X.

•••Syed Hussain Ather

A equação de Planck depende das propriedades ondulatórias da luz. Se você imaginar a luz como uma onda, conforme mostrado no diagrama acima, poderá imaginá-la tendo amplitude, frequência e comprimento de onda exatamente como uma onda do oceano ou uma onda sonora. A amplitude mede a altura de uma crista como mostrado e geralmente corresponde ao brilho ou intensidade da onda, e o comprimento de onda mede a distância horizontal que um ciclo completo da onda tampas. A frequência é o número de comprimentos de onda completos que passam por um determinado ponto a cada segundo.

•••Syed Hussain Ather

Como parte do espectro eletromagnético, você pode determinar a frequência ou o comprimento de onda de um raio-X quando conhece um ou outro. Semelhante à equação de Planck, esta frequênciaνde uma onda eletromagnética se relaciona com a velocidade da luzc, 3 x 10^-8 m / s, com a equação

em que λ é o comprimento de onda da onda. A velocidade da luz permanece constante em todas as situações e exemplos, portanto, esta equação demonstra como a frequência e o comprimento de onda de uma onda eletromagnética são inversamente proporcionais um ao outro.

No diagrama acima, os vários comprimentos de onda de diferentes tipos de ondas são mostrados. Os raios X ficam entre os raios ultravioleta (UV) e os raios gama no espectro, então as propriedades dos raios X de comprimento de onda e frequência ficam entre eles.

Comprimentos de onda mais curtos indicam maior energia e frequência que podem representar riscos à saúde humana. Os filtros solares que bloqueiam os raios ultravioleta e as camadas protetoras e escudos de chumbo que impedem os raios X de entrarem na pele demonstram esse poder. Os raios gama do espaço sideral são felizmente absorvidos pela atmosfera da Terra, impedindo-os de prejudicar as pessoas.

Finalmente, a frequência pode ser relacionada ao períodoTem segundos com a equação

Essas propriedades de raios-X também podem ser aplicadas a outras formas de radiação eletromagnética. A radiação de raios X em particular mostra essas propriedades ondulatórias, mas também as de partículas.

Além de comportamentos ondulatórios, os raios-X se comportam como um fluxo de partículas, como se uma única onda de um raio-X consistia em uma partícula após a outra colidindo com objetos e, após a colisão, absorver, refletir ou passar Através dos.

Como a equação de Planck usa energia na forma de fótons únicos, os cientistas dizem que as ondas eletromagnéticas de luz são "quantizadas" nesses "pacotes" de energia. Eles são feitos de quantidades específicas de fótons que carregam quantidades discretas de energia chamadas quanta. À medida que os átomos absorvem ou emitem fótons, eles, respectivamente, aumentam em energia ou a perdem. Essa energia pode assumir a forma de radiação eletromagnética.

Em 1923, o físico americano William Duane explicou como os raios X difratariam nos cristais por meio desses comportamentos parecidos com partículas. Duane usou a transferência de momento quantizado da estrutura geométrica do cristal em difração para explicar como as diferentes ondas de raios-X se comportariam ao passar pelo material.

Os raios X, como outras formas de radiação eletromagnética, exibem essa dualidade onda-partícula que permite aos cientistas descrever seu comportamento como se fossem partículas e ondas simultaneamente. Eles fluem como ondas com comprimento de onda e frequência, enquanto emitem quantidades de partículas como se fossem feixes de partículas.

Batizada com o nome do físico alemão Maxwell Planck, a equação de Planck dita que a luz se comporta dessa maneira ondulatória, a luz também mostra propriedades de partículas. Essa dualidade onda-partícula de luz significa que, embora a energia da luz dependa de sua frequência, ela ainda chega em quantidades discretas de energia ditadas pelos fótons.

Quando os fótons dos raios X entram em contato com diferentes materiais, alguns deles são absorvidos pelo material enquanto outros passam por ele. Os raios X que passam permitem que os médicos criem imagens internas do corpo humano.

A medicina, a indústria e várias áreas de pesquisa através da física e da química usam os raios X de maneiras diferentes. Pesquisadores de imagens médicas usam raios-X na criação de diagnósticos para tratar doenças dentro do corpo humano. A radioterapia tem aplicações no tratamento do câncer.

Engenheiros industriais usam raios-X para garantir que metais e outros materiais tenham as propriedades adequadas necessárias para finalidades, como a identificação de rachaduras em edifícios ou a criação de estruturas que podem suportar grandes quantidades de pressão.

A pesquisa de raios X em instalações de síncrotron permite que as empresas fabricem instrumentos científicos usados ​​em espectroscopia e imagem. Esses síncrotrons usam grandes ímãs para dobrar a luz e forçar os fótons a fazerem trajetórias ondulatórias. acelerada em movimentos circulares nessas instalações, sua radiação torna-se linearmente polarizada para produzir grandes quantidades de potência. A máquina então redireciona os raios X para outros aceleradores e instalações de pesquisa.

As aplicações dos raios X na medicina criaram métodos de tratamento totalmente novos e inovadores. Os raios X tornaram-se parte integrante do processo de identificação dos sintomas dentro do corpo por meio de sua natureza não invasiva, que os permitiria diagnosticar sem a necessidade de entrar fisicamente no corpo. Os raios X também tinham a vantagem de guiar os médicos durante a inserção, remoção ou modificação de dispositivos médicos nos pacientes.

Existem três tipos principais de imagens de raios-X usados ​​na medicina. A primeira, a radiografia, imagens do sistema esquelético apenas com pequenas quantidades de radiação. A segunda, a fluoroscopia, permite que os profissionais visualizem o estado interno de um paciente em tempo real. Os pesquisadores médicos usaram isso para alimentar os pacientes com bário, a fim de observar o funcionamento do trato digestivo e diagnosticar doenças e distúrbios esofágicos.

Finalmente, a tomografia computadorizada permite que os pacientes deitem-se sob um scanner em forma de anel para criar uma imagem tridimensional dos órgãos e estruturas internas do paciente. As imagens tridimensionais são agregadas a partir de muitas imagens transversais tiradas do corpo do paciente.

O engenheiro mecânico alemão Wilhelm Conrad Roentgen descobriu os raios X enquanto trabalhava com tubos de raios catódicos, um dispositivo que disparava elétrons para produzir imagens. O tubo usava um envelope de vidro que protegia os eletrodos no vácuo dentro do tubo. Ao enviar correntes elétricas através do tubo, Roentgen observou como diferentes ondas eletromagnéticas eram emitidas pelo dispositivo.

Quando Roentgen usou um papel preto grosso para proteger o tubo, ele descobriu que o tubo emitia uma luz fluorescente verde, um raio-X, que poderia passar pelo papel e energizar outros materiais. Ele descobriu que, quando elétrons carregados de uma certa quantidade de energia colidiam com o material, raios-X eram produzidos.

Chamando-os de "raios X", Roentgen esperava capturar sua natureza misteriosa e desconhecida. Roentgen descobriu que podia passar pelo tecido humano, mas não pelo osso nem pelo metal. No final de 1895, o engenheiro criou uma imagem da mão de sua esposa usando os raios-X, bem como uma imagem de pesos em uma caixa, um feito notável na história dos raios-X.

Logo, cientistas e engenheiros ficaram seduzidos pela natureza misteriosa do raio-X e começaram a explorar as possibilidades de uso do raio-X. O roentgen (R) se tornaria uma unidade extinta de medição da exposição à radiação que seria definida como a quantidade de exposição necessária para formar uma única unidade positiva e negativa de carga eletrostática para o ar seco.

Produção de imagens do esqueleto interno e estruturas orgânicas de humanos e outras criaturas, cirurgiões e médicos pesquisadores criaram técnicas inovadoras para entender o corpo humano ou descobrir onde as balas estavam localizadas Soldados feridos.

Em 1896, os cientistas já estavam aplicando as técnicas para descobrir por quais tipos de matéria os raios X podiam passar. Infelizmente, os tubos que produzem os raios X quebrariam sob as grandes quantidades de voltagem necessária para fins industriais até os tubos de Coolidge de 1913 do físico-engenheiro americano William D. Coolidge usou um filamento de tungstênio para uma visualização mais precisa no campo da radiologia recém-nascido. O trabalho de Coolidge basearia os tubos de raios X firmemente na pesquisa física.

O trabalho industrial decolou com a produção de lâmpadas, lâmpadas fluorescentes e tubos a vácuo. As fábricas produziram radiografias, imagens de raios-X, de tubos de aço para verificar suas estruturas internas e composição. Na década de 1930, a General Electric Company já havia produzido um milhão de geradores de raios X para radiografia industrial. A Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos começou a usar raios-X para fundir vasos de pressão soldados.

Dada a quantidade de energia dos raios-X com seus comprimentos de onda curtos e altas frequências, à medida que a sociedade adotava os raios-X em vários campos e disciplinas, o a exposição aos raios X faria com que os indivíduos experimentassem irritação nos olhos, falência de órgãos e queimaduras na pele, às vezes resultando na perda de membros e vidas. Esses comprimentos de onda do espectro eletromagnético poderiam quebrar ligações químicas que causariam mutações no DNA ou mudanças na estrutura molecular ou função celular em tecidos vivos.

Pesquisas mais recentes em raios-X mostraram que essas mutações e aberrações químicas podem causar câncer, e os cientistas estimam que 0,4% dos cânceres nos Estados Unidos são causados ​​por tomografias computadorizadas. Com o aumento da popularidade dos raios-X, os pesquisadores começaram a recomendar níveis de dosagem de raios-X considerados seguros.

Conforme a sociedade abraçou o poder dos raios X, médicos, cientistas e outros profissionais começaram a expressar suas preocupações sobre os efeitos negativos dos raios X na saúde. Conforme os pesquisadores observaram como os raios-X passariam pelo corpo sem prestar muita atenção em como o ondas direcionadas especificamente a áreas do corpo, eles tinham poucos motivos para acreditar que os raios-X poderiam ser perigoso.

Apesar das implicações negativas das tecnologias de raios-X na saúde humana, seus efeitos podem ser controlados e mantidos para evitar danos ou riscos desnecessários. Embora o câncer afete naturalmente 1 em cada 5 americanos, uma tomografia computadorizada geralmente aumenta o risco de câncer em 0,05 por cento, e alguns pesquisadores argumentam que a baixa exposição aos raios X pode nem mesmo contribuir para o risco de um indivíduo de Câncer.

O corpo humano ainda tem meios embutidos de reparar danos causados ​​por baixas dosagens de raios-X, de acordo com um estudo no American Journal of Clinical Oncology, sugerindo que os exames de raios-X não representam qualquer risco significativo em tudo.

As crianças correm maior risco de câncer no cérebro e leucemia quando expostas aos raios-X. Por esse motivo, quando uma criança pode exigir um exame de raios-X, os médicos e outros profissionais discutem os riscos com os responsáveis ​​pela família da criança para dar o consentimento.

A exposição a grandes quantidades de raios-X pode resultar em vômitos, sangramento, desmaios, perda de cabelo e de pele. Eles podem causar mutações no DNA porque têm energia suficiente para quebrar as ligações entre as moléculas de DNA.

Ainda é difícil determinar se as mutações no DNA são devidas à radiação de raios-X ou mutações aleatórias do próprio DNA. Os cientistas podem estudar a natureza das mutações, incluindo sua probabilidade, etiologia e frequência para determinar se as quebras de fita dupla no DNA foram o resultado da radiação de raios-X ou as mutações aleatórias do DNA em si.