Cum se calculează energia cu raze X

Formula generală pentru energia unui singur foton al unei unde electromagnetice, cum ar fi o raze X, este dată deEcuația lui Planck​:

în care energieEîn Jouli este egal cu produsul constantei lui Planckh​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) și frecvențaν(pronunțat „nu”) în unități de s^-1. Pentru o frecvență dată a unei unde electromagnetice, puteți calcula energia de raze X asociată pentru un singur foton folosind această ecuație. Se aplică tuturor formelor de radiații electromagnetice, inclusiv luminii vizibile, razelor gamma și razelor X.

•••Syed Hussain Ather

Ecuația lui Planck depinde de proprietățile de undă ale luminii. Dacă vă imaginați lumina ca o undă așa cum se arată în diagrama de mai sus, vă puteți imagina că are o amplitudine, frecvență și lungime de undă la fel cum ar putea o undă oceanică sau o undă sonoră. Amplitudinea măsoară înălțimea unei creaste așa cum se arată și corespunde în general luminozității sau intensitatea undei, iar lungimea de undă măsoară distanța orizontală pe care o are un ciclu complet al undei huse. Frecvența este numărul de lungimi de undă complete care trec de un punct dat în fiecare secundă.

•••Syed Hussain Ather

Ca parte a spectrului electromagnetic, puteți determina fie frecvența, fie lungimea de undă a unei raze X atunci când cunoașteți una sau alta. Similar cu ecuația lui Planck, această frecvențăνunei unde electromagnetice se referă la viteza luminiic, 3 x 10^-8 m / s, cu ecuația

în care λ este lungimea de undă a undei. Viteza luminii rămâne constantă în toate situațiile și exemplele, astfel încât această ecuație demonstrează modul în care frecvența și lungimea de undă a unei unde electromagnetice sunt invers proporționale între ele.

În diagrama de mai sus sunt prezentate diversele lungimi de undă ale diferitelor tipuri de unde. Razele X se situează între razele ultraviolete (UV) și gama din spectru, astfel încât proprietățile razelor X ale lungimii de undă și ale frecvenței cad între ele.

Lungimile de undă mai mici indică o energie și o frecvență mai mari care pot prezenta riscuri pentru sănătatea umană. Protecțiile solare care se blochează împotriva razelor UV și straturile de protecție și scuturile de plumb care blochează intrarea razelor X în piele demonstrează această putere. Razele gamma din spațiul cosmic sunt, din fericire, absorbite de atmosfera Pământului, împiedicându-le să facă rău oamenilor.

În cele din urmă, frecvența poate fi legată de perioadăTîn secunde cu ecuația

Aceste proprietăți de raze X se pot aplica și altor forme de radiații electromagnetice. Radiațiile cu raze X prezintă în special aceste proprietăți asemănătoare undelor, dar și cele asemănătoare particulelor.

În plus față de comportamentele de undă, razele X se comportă ca un flux de particule ca și cum ar fi o singură undă a unei raze X consta dintr-o particulă după alta care se ciocnește cu obiecte și, la coliziune, absorb, reflectă sau trece prin.

Deoarece ecuația lui Planck folosește energia sub formă de fotoni unici, oamenii de știință spun că undele electromagnetice de lumină sunt „cuantificate” în aceste „pachete” de energie. Acestea sunt formate din cantități specifice de fotoni care transportă cantități discrete de energie numite cuante. Pe măsură ce atomii absorb sau emit fotoni, ei cresc, respectiv, energia sau o pierd. Această energie poate lua forma radiației electromagnetice.

În 1923, fizicianul american William Duane a explicat cum razele X ar fi difractate în cristale prin aceste comportamente asemănătoare particulelor. Duane a folosit transferul de impuls cuantificat de la structura geometrică a cristalului difractant pentru a explica modul în care s-ar comporta diferite unde de raze X atunci când trec prin material.

Razele X, ca și alte forme de radiații electromagnetice, prezintă această dualitate undă-particulă care le permite oamenilor de știință să descrie comportamentul lor ca și cum ar fi atât particule cât și unde simultan. Acestea curg ca undele cu o lungime de undă și o frecvență în timp ce emit cantități de particule ca și cum ar fi grinzi de particule.

Numită după fizicianul german Maxwell Planck, ecuația lui Planck dictează că lumina se comportă în acest fel de undă, lumina prezintă și proprietăți asemănătoare particulelor. Această dualitate undă-particulă a luminii înseamnă că, deși energia luminii depinde de frecvența sa, ea vine totuși în cantități discrete de energie dictate de fotoni.

Când fotonii de raze X vin în contact cu diferite materiale, unii dintre ei sunt absorbiți de material în timp ce alții trec prin. Razele X care trec prin lăsați medicii să creeze imagini interne ale corpului uman.

Medicina, industria și diverse domenii de cercetare prin fizică și chimie folosesc razele X în moduri diferite. Cercetătorii de imagistică medicală utilizează razele X pentru a crea diagnostice pentru a trata afecțiunile din corpul uman. Radioterapia are aplicații în tratamentul cancerului.

Inginerii industriali folosesc razele X pentru a se asigura că metalele și alte materiale au proprietățile adecvate necesare scopuri precum identificarea fisurilor din clădiri sau crearea structurilor care pot rezista la cantități mari de presiune.

Cercetarea razelor X la instalațiile de sincrotron permite companiilor să fabrice instrumente științifice utilizate în spectroscopie și imagistică. Acești sincrotroni folosesc magneți mari pentru a îndoi lumina și forța fotonii să ia traiectorii asemănătoare undelor Când sunt raze X accelerată în mișcări circulare la aceste instalații, radiația lor devine polarizată liniar pentru a produce cantități mari de putere. Apoi, mașina redirecționează razele X către alte acceleratoare și facilități pentru cercetare.

Aplicațiile razelor X în medicină au creat metode de tratament complet noi și inovatoare. Razele X au devenit parte integrantă a procesului de identificare a simptomelor din corp prin natura lor neinvazivă care le-ar permite să diagnosticheze fără a fi nevoie să intre fizic în corp. Razele X au avut, de asemenea, avantajul de a ghida medicii pe măsură ce introduceau, îndepărtau sau modificau dispozitivele medicale la pacienți.

Există trei tipuri principale de imagistică cu raze X utilizate în medicină. Prima, radiografia, ilustrează sistemul osos doar cu cantități mici de radiații. A doua, fluoroscopia, permite profesioniștilor să vadă starea internă a unui pacient în timp real. Cercetătorii medicali au folosit acest lucru pentru a hrăni pacienții cu bariu pentru a observa funcționarea tractului digestiv și a diagnostica bolile și tulburările esofagiene.

În cele din urmă, tomografia computerizată permite pacienților să se întindă sub un scaner în formă de inel pentru a crea o imagine tridimensională a organelor și structurilor interne ale pacientului. Imaginile tridimensionale sunt agregate împreună din multe imagini transversale luate din corpul pacientului.

Inginerul mecanic german Wilhelm Conrad Roentgen a descoperit razele X în timp ce lucra cu tuburi catodice, un dispozitiv care a tras electroni pentru a produce imagini. Tubul a folosit un plic de sticlă care a protejat electrozii în vid în interiorul tubului. Prin trimiterea de curenți electrici prin tub, Roentgen a observat modul în care au fost emise diferite unde electromagnetice de pe dispozitiv.

Când Roentgen a folosit o hârtie groasă și neagră pentru a proteja tubul, a constatat că acesta emite o lumină fluorescentă verde, o raze X, care putea trece prin hârtie și a energiza alte materiale. El a descoperit că, atunci când electronii încărcați cu o anumită cantitate de energie s-ar ciocni cu materialul, au fost produse raze X.

Numindu-i „raze X”, Roentgen spera să le surprindă natura misterioasă, necunoscută. Roentgen a descoperit că poate trece prin țesutul uman, dar nu prin os și nici prin metal. La sfârșitul anului 1895, inginerul a creat o imagine a mâinii soției sale folosind razele X, precum și o imagine a greutăților într-o cutie, o faptă notabilă în istoria razelor X.

În curând, oamenii de știință și inginerii au devenit ademeniți de natura misterioasă a razelor X care a început să exploreze posibilitățile de utilizare a razelor X. Roentgen (R) ar deveni o unitate acum defectă de măsurare a expunerii la radiații care ar fi definită ca cantitate de expunere necesară pentru a face o singură unitate pozitivă și negativă de încărcare electrostatică pentru aerul uscat.

Producerea de imagini ale structurilor scheletice și organice interne ale oamenilor și ale altor creaturi, chirurgi și medici cercetătorii au creat tehnici inovatoare de înțelegere a corpului uman sau de a afla unde se aflau gloanțele soldați răniți.

Până în 1896, oamenii de știință aplicau deja tehnicile pentru a afla prin ce tipuri de materie puteau trece razele X. Din păcate, tuburile care produc raze X s-ar defecta sub cantitatea mare de tensiune necesară în scopuri industriale până la tuburile Coolidge din 1913 ale fizicianului-inginer american William D. Coolidge a folosit un filament de tungsten pentru o vizualizare mai precisă în domeniul nou-născut al radiologiei. Lucrarea lui Coolidge ar împământi ferm tuburile de raze X în cercetarea fizică.

Munca industrială a început cu producția de becuri, lămpi fluorescente și tuburi de vid. Unitățile de producție au produs radiografii, imagini cu raze X, ale tuburilor de oțel pentru a verifica structurile și compoziția lor internă. În anii 1930, General Electric Company a produs un milion de generatoare de raze X pentru radiografie industrială. Societatea Americană a Inginerilor Mecanici a început să utilizeze razele X pentru fuzionarea recipienților sub presiune sudați.

Având în vedere cantitatea de energie pe care o au razele X cu lungimile lor de undă scurte și frecvențele înalte, pe măsură ce societatea a îmbrățișat razele X în diverse domenii și discipline, expunerea la raze X ar provoca indivizilor iritarea ochilor, insuficiența organelor și arsuri ale pielii, uneori ducând chiar la pierderea membrelor și vieți. Aceste lungimi de undă ale spectrului electromagnetic ar putea rupe legăturile chimice care ar provoca mutații în ADN sau modificări ale structurii moleculare sau ale funcției celulare a țesuturilor vii.

Cercetări mai recente privind razele X au arătat că aceste mutații și aberații chimice pot provoca cancer, iar oamenii de știință estimează că 0,4% din cazurile de cancer din Statele Unite sunt cauzate de scanări CT. Pe măsură ce razele X au crescut în popularitate, cercetătorii au început să recomande niveluri de dozare cu raze X care au fost considerate sigure.

Pe măsură ce societatea a îmbrățișat puterea razelor X, medicii, oamenii de știință și alți profesioniști au început să își exprime îngrijorarea cu privire la efectele negative ale razelor X asupra sănătății. În timp ce cercetătorii au observat cum razele X ar trece prin corp fără a acorda o atenție deosebită modului în care valurile vizează în mod specific zonele corpului, nu aveau prea multe motive să creadă că pot fi raze X. periculos.

În ciuda implicațiilor negative ale tehnologiilor cu raze X asupra sănătății umane, efectele acestora pot fi controlate și menținute pentru a preveni vătămarea sau riscul inutil. În timp ce cancerul afectează în mod natural 1 din 5 americani, o scanare CT crește, în general, riscul de cancer cu 0,05 procente, iar unii cercetători susțin că expunerea scăzută la raze X poate să nu contribuie nici măcar la riscul unei persoane cancer.

Potrivit unui studiu, corpul uman are chiar și modalități încorporate de a repara daunele cauzate de doze mici de raze X în American Journal of Clinical Oncology, sugerând că scanările cu raze X nu prezintă niciun risc semnificativ la toate.

Copiii prezintă un risc mai mare de cancer la creier și leucemie atunci când sunt expuși la raze X. Din acest motiv, atunci când un copil poate necesita o scanare cu raze X, medicii și alți profesioniști discută despre riscuri cu tutorii familiei copilului pentru a acorda consimțământul.

Expunerea la cantități mari de raze X poate duce la vărsături, sângerări, leșin, pierderea părului și pierderea pielii. Ele pot provoca mutații în ADN, deoarece au doar suficientă energie pentru a rupe legăturile dintre moleculele de ADN.

Este încă dificil să se determine dacă mutațiile ADN-ului ca urmare a radiațiilor cu raze X sau mutațiile aleatorii ale ADN-ului în sine. Oamenii de știință pot studia natura mutațiilor, inclusiv probabilitatea lor, etiologia și frecvența de determinat dacă rupturile cu dublă catenă din ADN au fost rezultatul radiației cu raze X sau a mutațiilor aleatorii ale ADN-ului în sine.