Ako vypočítať röntgenovú energiu

Všeobecný vzorec pre energiu jediného fotónu elektromagnetickej vlny, ako je röntgen, je daný vzťahomPlanckova rovnica​:

v ktorej energiiEv Jouloch sa rovná súčinu Planckovej konštantyh​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) a frekvenciaν(vyslovuje sa „nu“) v jednotkách s^-1. Pre danú frekvenciu elektromagnetického vlnenia môžete pomocou tejto rovnice vypočítať súvisiacu röntgenovú energiu pre jeden fotón. Vzťahuje sa na všetky formy elektromagnetického žiarenia vrátane viditeľného svetla, gama lúčov a röntgenových lúčov.

•••Syed Hussain Ather

Planckova rovnica závisí od vlnovitých vlastností svetla. Ak si predstavujete svetlo ako vlnu, ako je to znázornené na diagrame vyššie, môžete si predstaviť, že má amplitúdu, frekvenciu a vlnovú dĺžku, ako by to mohla oceánska vlna alebo zvuková vlna. Amplitúda meria výšku jedného hrebeňa, ako je znázornené, a všeobecne zodpovedá jasu alebo intenzita vlny a vlnová dĺžka meria vodorovnú vzdialenosť, ktorú predstavuje celý cyklus vlny kryty. Frekvencia je počet celých vlnových dĺžok, ktoré prechádzajú daným bodom každú sekundu.

•••Syed Hussain Ather

Ako súčasť elektromagnetického spektra môžete určiť buď frekvenciu alebo vlnovú dĺžku röntgenového žiarenia, keď poznáte jedno alebo druhé. Táto frekvencia je obdobou Planckovej rovniceνelektromagnetickej vlny súvisí s rýchlosťou svetlac, 3 x 10^-8 m / s, s rovnicou

v ktorom λ je vlnová dĺžka vlny. Rýchlosť svetla zostáva konštantná vo všetkých situáciách a príkladoch, takže táto rovnica demonštruje, ako sú frekvencia a vlnová dĺžka elektromagnetického vlnenia navzájom nepriamo úmerné.

Na vyššie uvedenom diagrame sú zobrazené rôzne vlnové dĺžky rôznych typov vĺn. Röntgenové lúče ležia medzi ultrafialovým (UV) a gama lúčmi v spektre, takže röntgenové vlastnosti vlnovej dĺžky a frekvencie medzi nimi klesajú.

Kratšie vlnové dĺžky naznačujú väčšiu energiu a frekvenciu, ktoré môžu predstavovať riziká pre ľudské zdravie. Ochranu proti slnečnému žiareniu, ktorá blokuje UV žiarenie, a ochranné plášte a štíty olova, ktoré bránia röntgenovým lúčom vstúpiť do pokožky, preukazujú túto silu. Gama lúče z vesmíru sú našťastie absorbované zemskou atmosférou, čo im bráni ublížiť ľuďom.

A nakoniec, frekvencia môže súvisieť s obdobímTza pár sekúnd s rovnicou

Tieto röntgenové vlastnosti sa môžu vzťahovať aj na iné formy elektromagnetického žiarenia. Najmä röntgenové žiarenie ukazuje tieto vlnové vlastnosti, ale aj vlastnosti podobné časticiam.

Okrem vlnovitého správania sa röntgenové lúče správajú ako prúd častíc, akoby jedna vlna röntgenového žiarenia pozostávala z jednej častice za druhou, ktorá sa zrazila s objektmi a pri zrážke absorbovala, odrážala alebo prechádzala cez.

Pretože Planckova rovnica využíva energiu vo forme jednotlivých fotónov, vedci tvrdia, že elektromagnetické vlny svetla sú „kvantované“ do týchto „balíkov“ energie. Sú vyrobené z konkrétneho množstva fotónu, ktoré prenášajú diskrétne množstvo energie nazývané kvantá. Keď atómy absorbujú alebo emitujú fotóny, zvyšujú energiu alebo ju strácajú. Táto energia môže mať formu elektromagnetického žiarenia.

V roku 1923 americký fyzik William Duane vysvetlil, ako by röntgenové lúče difundovali v kryštáloch prostredníctvom tohto chovania podobného časticiam. Duane pomocou prenosu kvantovanej hybnosti z geometrickej štruktúry difrakčného kryštálu vysvetlil, ako sa budú chovať rôzne röntgenové vlny pri prechode materiálom.

Röntgenové lúče rovnako ako iné formy elektromagnetického žiarenia vykazujú túto vlnovo-časticovú dualitu, ktorá umožňuje vedcom popisovať ich správanie, akoby išlo o častice aj vlny súčasne. Tečú ako vlny s vlnovou dĺžkou a frekvenciou, zatiaľ čo emitujú množstvo častíc, akoby to boli lúče častíc.

Názov Planckovej rovnice, ktorý dostal meno po nemeckom fyzikovi Maxwellovi Planckovi, určuje, že svetlo sa chová týmto spôsobom, svetlo tiež vykazuje vlastnosti podobné časticiam. Táto dualita svetla s vlnovými časticami znamená, že hoci energia svetla závisí od jeho frekvencie, stále prichádza v samostatných množstvách energie diktovanej fotónmi.

Keď sa fotóny röntgenových lúčov dostanú do kontaktu s rôznymi materiálmi, niektoré z nich materiál pohltí, zatiaľ čo iné nimi prechádzajú. Röntgenové lúče, ktoré prechádzajú, umožňujú lekárom vytvárať vnútorné obrazy ľudského tela.

Medicína, priemysel a rôzne oblasti výskumu prostredníctvom fyziky a chémie používajú röntgenové lúče rôznymi spôsobmi. Vedci z oblasti lekárskeho zobrazovania používajú röntgenové lúče na stanovenie diagnóz na liečbu stavov v ľudskom tele. Rádioterapia má uplatnenie v liečbe rakoviny.

Priemyselní inžinieri používajú röntgenové lúče na zabezpečenie vhodných vlastností kovov a iných materiálov účely, ako je identifikácia trhlín v budovách alebo vytváranie štruktúr, ktoré odolávajú veľkému množstvu tlak.

Výskum röntgenových lúčov v synchrotrónových zariadeniach umožňuje spoločnostiam vyrábať vedecké prístroje používané v spektroskopii a zobrazovaní. Tieto synchrotróny používajú veľké magnety na ohýbanie svetla a nútia fotóny brať vlnovú trajektóriu, keď sú röntgenové lúče zrýchlené v kruhových pohyboch v týchto zariadeniach, ich žiarenie sa lineárne polarizuje na veľké množstvá moc. Stroj potom presmeruje röntgenové lúče na ďalšie urýchľovače a zariadenia na výskum.

Aplikácia röntgenových lúčov v medicíne vytvorila úplne nové a inovatívne metódy liečby. Röntgenové lúče sa stali neoddeliteľnou súčasťou procesu identifikácie symptómov v tele prostredníctvom ich neinvazívnej povahy, ktorá im umožňuje diagnostikovať ich bez nutnosti fyzického vstupu do tela. Röntgenové lúče mali tiež výhodu v tom, že viedli lekárov pri vkladaní, vyberaní alebo upravovaní zdravotníckych pomôcok u pacientov.

V medicíne sa používajú tri hlavné typy zobrazovania pomocou röntgenových lúčov. Prvá, rádiografia, zobrazuje kostný systém iba s malým množstvom žiarenia. Druhá, fluoroskopia, umožňuje odborníkom zobraziť vnútorný stav pacienta v reálnom čase. Lekárski vedci použili toto na kŕmenie pacientov báriom na sledovanie činnosti ich zažívacieho traktu a diagnostikovanie chorôb a porúch pažeráka.

Nakoniec počítačová tomografia umožňuje pacientom ľahnúť si pod prstencovitý skener, aby vytvorili trojrozmerný obraz vnútorných orgánov a štruktúr pacienta. Trojrozmerné obrázky sa agregujú z mnohých prierezových snímok urobených z tela pacienta.

Nemecký strojný inžinier Wilhelm Conrad Roentgen objavil röntgenové lúče, keď pracoval s katódovými trubicami, čo je zariadenie, ktoré na produkciu obrazov pálilo elektrónmi. Trubica používala sklenený obal, ktorý chránil elektródy vo vákuu vo vnútri trubice. Roentgen vysielaním elektrických prúdov trubicou pozoroval, ako zo zariadenia vychádzajú rôzne elektromagnetické vlny.

Keď Roentgen použil na ochranu elektrónky hrubý čierny papier, zistil, že elektrónka vyžaruje zelené fluorescenčné svetlo, röntgenové lúče, ktoré môžu prechádzať papierom a dodávať energiu iným materiálom. Zistil, že pri zrážke nabitých elektrónov s určitým množstvom energie s materiálom vznikajú röntgenové lúče.

Roentgen ich pomenoval „Röntgenové lúče“ a dúfal, že zachytí ich záhadnú, neznámu povahu. Roentgen zistil, že môže prechádzať ľudským tkanivom, ale nie kosťami alebo kovmi. Koncom roku 1895 vytvoril inžinier pomocou röntgenových snímok obraz svojej manželky, ako aj obraz závažia v krabici, čo je v histórii röntgenových lúčov pozoruhodný počin.

Vedcov a inžinierov čoskoro priťahovala tajomná podstata röntgenového žiarenia a začali skúmať možnosti použitia röntgenových lúčov. Rentgen (R) by sa stala dnes už neexistujúcou jednotkou merania radiačnej záťaže, ktorá by bola definovaná ako množstvo expozície potrebnej na vytvorenie jednej pozitívnej a negatívnej jednotky elektrostatického náboja pre suchý vzduch.

Vytváranie snímok vnútorných kostrových a orgánových štruktúr ľudí a iných tvorov, chirurgov a lekárov vedci vytvorili inovatívne techniky porozumenia ľudskému telu alebo zistenia, kde sa guľky nachádzali zranených vojakov.

Do roku 1896 už vedci používali techniky na zistenie, cez ktoré typy röntgenových lúčov hmoty môžu prechádzať. Žiaľ, elektrónky, ktoré produkujú röntgenové lúče, sa pod veľkým množstvom napätia potrebným na priemyselné účely rozpadli až do roku 1913, kedy boli elektrónky Coolidge amerického fyzika-inžiniera Williama D. Spoločnosť Coolidge použila volfrámové vlákno na presnejšiu vizualizáciu v novo vzniknutej oblasti rádiológie. Práca Coolidgeho by pevne zakotvila röntgenové trubice vo výskume fyziky.

Priemyselné práce sa rozbehli s výrobou žiaroviek, žiariviek a vákuových trubíc. Výrobné závody vyrábali rádiografy, röntgenové snímky oceľových rúr na overenie ich vnútorných štruktúr a zloženia. Do 30. rokov minulého storočia spoločnosť General Electric Company vyrobila milión röntgenových generátorov pre priemyselnú rádiografiu. Americká spoločnosť strojných inžinierov začala používať röntgenové lúče na spoločné spájanie zváraných tlakových nádob.

Vzhľadom na to, koľko röntgenových lúčov energie sa zbiera s ich krátkymi vlnovými dĺžkami a vysokými frekvenciami, pretože spoločnosť prijala röntgenové lúče v rôznych oblastiach a disciplínach vystavenie röntgenovým lúčom by u jednotlivcov spôsobilo podráždenie očí, zlyhanie orgánov a popáleniny kože, niekedy dokonca so stratou končatín a životy. Tieto vlnové dĺžky elektromagnetického spektra by mohli narušiť chemické väzby, ktoré by spôsobili mutácie v DNA alebo zmeny molekulárnej štruktúry alebo bunkových funkcií v živých tkanivách.

Novší výskum röntgenových lúčov ukázal, že tieto mutácie a chemické aberácie môžu spôsobiť rakovinu a vedci odhadujú, že 0,4% druhov rakoviny v USA je spôsobených CT vyšetrením. Keď popularita röntgenových lúčov stúpala, vedci začali odporúčať také dávky röntgenového žiarenia, ktoré sa považovali za bezpečné.

Keď sa spoločnosť chopila sily röntgenových lúčov, lekári, vedci a ďalší odborníci začali vyjadrovať svoje obavy z negatívnych účinkov röntgenového žiarenia na zdravie. Ako vedci pozorovali, ako by röntgenové lúče prechádzali telom, bez toho, aby venovali osobitnú pozornosť tomu, ako vlny špecificky zamerané na oblasti tela, nemali dôvod sa domnievať, že röntgenové lúče môžu byť nebezpečné.

Napriek negatívnym dopadom röntgenových technológií na ľudské zdravie je možné ich účinky riadiť a udržiavať, aby sa zabránilo zbytočnému poškodeniu alebo riziku. Zatiaľ čo rakovina prirodzene postihuje 1 z 5 Američanov, CT vyšetrenie všeobecne zvyšuje riziko rakoviny o 0,05 percent a niektorí vedci tvrdia, že nízka röntgenová expozícia nemusí ani len prispieť k riziku jednotlivca rakovina.

Ľudské telo má podľa štúdie dokonca zabudované spôsoby opravy škôd spôsobených nízkymi dávkami röntgenového žiarenia v American Journal of Clinical Oncology, čo naznačuje, že röntgenové snímky nepredstavujú žiadne významné riziko všetko.

Deti sú pri vystavení röntgenovým lúčom vystavené väčšiemu riziku rakoviny mozgu a leukémie. Z tohto dôvodu, keď dieťa môže vyžadovať röntgenové vyšetrenie, lekári a ďalší odborníci diskutujú o rizikách so zástupcami rodiny dieťaťa a poskytujú tak súhlas.

Vystavenie vysokému množstvu röntgenových lúčov môže mať za následok zvracanie, krvácanie, mdloby, vypadávanie vlasov a stratu pokožky. Môžu spôsobiť mutácie v DNA, pretože majú dostatok energie na prerušenie väzieb medzi molekulami DNA.

Je stále ťažké určiť, či sú mutácie v DNA spôsobené röntgenovým žiarením alebo náhodnými mutáciami samotnej DNA. Vedci môžu študovať podstatu mutácií vrátane ich pravdepodobnosti, etiológie a frekvencie či boli dvojvláknové zlomy v DNA výsledkom röntgenového žiarenia alebo náhodných mutácií DNA sám.