Kako izračunati rentgensko energijo

Splošno formulo za energijo posameznega fotona elektromagnetnega valovanja, kot je rentgen, podajaPlanckova enačba​:

v kateri energijaEv Joulih je enako zmnožku Planckove konstanteh​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) in frekvencoν(izgovorjeno "nu") v enotah s^-1. Za določeno frekvenco elektromagnetnega valovanja lahko s to enačbo izračunate pripadajočo rentgensko energijo za en foton. Velja za vse oblike elektromagnetnega sevanja, vključno z vidno svetlobo, gama žarki in rentgenskimi žarki.

•••Syed Hussain Ather

Planckova enačba je odvisna od valovitih lastnosti svetlobe. Če si predstavljate svetlobo kot val, kot je prikazano na zgornjem diagramu, si lahko predstavljate, da ima amplitudo, frekvenco in valovno dolžino, tako kot bi lahko imel oceanski ali zvočni val. Amplituda meri višino enega grebena, kot je prikazano in na splošno ustreza svetlosti oz intenzivnost vala, valovna dolžina pa meri vodoravno razdaljo, ki jo ima celoten cikel vala prevleke. Frekvenca je število polnih valovnih dolžin, ki vsako sekundo preidejo mimo določene točke.

•••Syed Hussain Ather

Kot del elektromagnetnega spektra lahko določite frekvenco ali valovno dolžino rentgenskega žarka, ko poznate eno ali drugo. Podobno kot Planckova enačba je tudi ta frekvencaνelektromagnetnega vala se nanaša na svetlobno hitrostc, 3 x 10^-8 m / s, z enačbo

pri katerem je λ valovna dolžina vala. Hitrost svetlobe ostaja nespremenjena v vseh situacijah in primerih, zato ta enačba prikazuje, kako sta frekvenca in valovna dolžina elektromagnetnega vala medsebojno obratno sorazmerni.

V zgornjem diagramu so prikazane različne valovne dolžine različnih vrst valov. Rentgenski žarki ležijo med ultravijoličnimi (UV) in gama žarki v spektru, zato rentgenske lastnosti valovne dolžine in frekvence padajo med njimi.

Krajše valovne dolžine kažejo na večjo energijo in pogostost, ki lahko predstavljajo tveganje za zdravje ljudi. Kreme za zaščito pred soncem, ki preprečujejo UV žarke, ter zaščitni plašči in ščiti iz svinca, ki preprečujejo vstop rentgenskih žarkov v kožo, dokazujejo to moč. Zemeljsko ozračje na srečo absorbira gama žarke iz vesolja, ki jim preprečujejo, da bi škodovali ljudem.

Končno je pogostost lahko povezana z obdobjemTv sekundah z enačbo

Te rentgenske lastnosti se lahko nanašajo tudi na druge oblike elektromagnetnega sevanja. Zlasti rentgensko sevanje kaže te valovite lastnosti, pa tudi delcem podobne.

Poleg valov podobnega vedenja se rentgenski žarki obnašajo kot tok delcev, kot da bi bil en val rentgenskega žarka sestavljen iz enega delca za drugim, ki trči v predmete in ob trku absorbira, odbije ali preide skozi.

Ker Planckova enačba uporablja energijo v obliki posameznih fotonov, znanstveniki pravijo, da so elektromagnetni svetlobni valovi "kvantizirani" v te "pakete" energije. Narejeni so iz določenih količin fotona, ki nosijo diskretne količine energije, imenovane kvante. Ko atomi absorbirajo ali oddajajo fotone, se povečajo ali izgubijo energijo. Ta energija je lahko v obliki elektromagnetnega sevanja.

Leta 1923 je ameriški fizik William Duane razložil, kako se rentgenski žarki v teh kristalih difraktirajo v kristalih. Duane je z uporabo kvantiziranega prenosa giba iz geometrijske strukture difrakcijskega kristala razložil, kako se bodo obnašali različni rentgenski valovi, ko bodo šli skozi material.

Rentgenski žarki, tako kot druge oblike elektromagnetnega sevanja, kažejo to dvojnost valovnih delcev, ki znanstvenikom omogoča, da svoje vedenje opišejo, kot da so hkrati delci in valovi. Tečejo kot valovi z valovno dolžino in frekvenco, medtem ko oddajajo količine delcev, kot da bi bili žarki delcev.

Planckova enačba, poimenovana po nemškem fiziku Maxwellu Plancku, narekuje, da se svetloba obnaša na takšen val, svetloba pa kaže tudi lastnosti, podobne delcem. Ta dvojnost svetlobe valovnih delcev pomeni, da čeprav je energija svetlobe odvisna od njene frekvence, še vedno prihaja v ločenih količinah energije, ki jo narekujejo fotoni.

Ko fotoni rentgenskih žarkov pridejo v stik z različnimi materiali, jih nekaj absorbira, drugi pa preidejo skozi. Rentgenski žarki, ki prehajajo skozi, omogočajo zdravnikom, da ustvarijo notranje podobe človeškega telesa.

Medicina, industrija in različna področja raziskav s fiziko in kemijo uporabljajo rentgen na različne načine. Raziskovalci medicinskih slik uporabljajo rentgenske žarke pri postavljanju diagnoz za zdravljenje bolezni v človeškem telesu. Radioterapija se uporablja pri zdravljenju raka.

Industrijski inženirji z rentgenskimi žarki zagotavljajo ustrezne lastnosti kovin in drugih materialov namene, kot je prepoznavanje razpok v zgradbah ali ustvarjanje struktur, ki prenesejo velike količine pritisk.

Raziskave rentgenskih žarkov v sinhrotronskih napravah omogočajo podjetjem izdelavo znanstvenih instrumentov, ki se uporabljajo v spektroskopiji in slikanju. Ti sinhrotroni uporabljajo velike magnete, da upogibajo svetlobo in silijo fotone, da zajemajo valovite poti, ko so rentgenski žarki pospešeno s krožnimi gibi v teh objektih postane njihovo sevanje linearno polarizirano, da proizvede velike količine moč. Nato stroj preusmeri rentgenske žarke proti drugim pospeševalnikom in napravam za raziskave.

Uporaba rentgenskih žarkov v medicini je ustvarila povsem nove, inovativne metode zdravljenja. Rentgenski žarki so postali sestavni del postopka prepoznavanja simptomov v telesu s svojo neinvazivno naravo, zaradi katere so lahko diagnosticirali, ne da bi morali fizično vstopiti v telo. Prednost rentgenskih žarkov je bila tudi usmerjanje zdravnikov, ko so bolnike vstavljali, odstranjevali ali spreminjali medicinske pripomočke.

V medicini se uporabljajo tri glavne vrste rentgenskega slikanja. Prva, radiografija, prikazuje skeletni sistem z le majhno količino sevanja. Druga, fluoroskopija, omogoča strokovnjakom, da v realnem času vidijo notranje stanje bolnika. Medicinski raziskovalci so to uporabili za hranjenje bolnikov z barijem, da bi opazovali delovanje njihovega prebavnega trakta in diagnosticirali bolezni in motnje požiralnika.

Na koncu računalniška tomografija omogoča pacientom, da se uležejo pod obročast skener, da ustvarijo tridimenzionalno sliko pacientovih notranjih organov in struktur. Tridimenzionalne slike so združene iz številnih prereznih slik bolnikovega telesa.

Nemški inženir strojništva Wilhelm Conrad Roentgen je med delom s katodnimi cevmi, napravo, ki je sprožala elektrone za ustvarjanje slik, odkril rentgenske žarke. V cevi je bila uporabljena steklena ovojnica, ki je zaščitila elektrode v vakuumu znotraj cevi. S pošiljanjem električnih tokov skozi cev je Roentgen opazoval, kako se iz naprave oddajajo različni elektromagnetni valovi.

Ko je Roentgen za zaščito cevi uporabil debel črn papir, je ugotovil, da cev oddaja zeleno fluorescentno svetlobo, rentgen, ki lahko prehaja skozi papir in napaja druge materiale. Ugotovil je, da ko se nabiti elektroni določene količine energije trčijo v material, nastanejo rentgenski žarki.

Poimenoval jih je "rentgenske žarke", je Roentgen upal, da bo ujel njihovo skrivnostno, neznano naravo. Roentgen je odkril, da lahko prehaja skozi človeško tkivo, ne pa tudi skozi kosti in kovine. Konec leta 1895 je inženir z rentgenskimi žarki ustvaril podobo svoje žene in uteži v škatli, kar je pomemben podvig v zgodovini rentgenskih žarkov.

Kmalu je znanstvenike in inženirje pritegnila skrivnostna narava rentgenskih žarkov in začela raziskovati možnosti za uporabo rentgenskih žarkov. Roentgen (R) bi postala zdaj neaktivna enota za merjenje izpostavljenosti sevanju, ki bi bila opredeljena kot količina izpostavljenosti, potrebne za izdelavo ene pozitivne in negativne enote elektrostatičnega naboja za suh zrak.

Izdelava slik notranjih struktur okostja in organov ljudi in drugih bitij, kirurgov in zdravnikov raziskovalci so ustvarili inovativne tehnike razumevanja človeškega telesa ali ugotavljanja, kje so krogle ranjeni vojaki.

Do leta 1896 so znanstveniki že uporabljali tehnike, da bi ugotovili, skozi katere vrste snovi lahko prehajajo rentgenski žarki. Na žalost bi se cevi, ki proizvajajo rentgenske žarke, pod velikimi napetostmi, potrebnimi za industrijske namene, razgradile do cevi Coolidge leta 1913 ameriškega fizika-inženirja Williama D. Coolidge je uporabil volframove filamente za natančnejšo vizualizacijo na novo rojenem področju radiologije. Coolidgeovo delo bi v raziskavah na področju fizike trdno prizemljilo rentgenske cevi.

Industrijska dela so stekla s proizvodnjo žarnic, fluorescenčnih sijalk in vakuumskih cevi. Proizvodni obrati so izdelali radiografije, rentgenske slike jeklenih cevi, da bi preverili njihovo notranjo strukturo in sestavo. Do tridesetih let je General Electric Company izdelalo milijon rentgenskih generatorjev za industrijsko radiografijo. Ameriško združenje strojnih inženirjev je začelo uporabljati rentgenske žarke za spajanje varjenih tlačnih posod.

Glede na to, koliko energije se rentgenski žarki pakirajo s svojimi kratkimi valovnimi dolžinami in visokimi frekvencami, ko je družba sprejemala rentgenske žarke na različnih področjih in disciplinah, izpostavljenost rentgenskim žarkom bi povzročila draženje oči, odpoved organov in opekline kože, včasih celo izgubo okončin in življenja. Te valovne dolžine elektromagnetnega spektra bi lahko pretrgale kemične vezi, ki bi povzročile mutacije v DNA ali spremembe v molekularni strukturi ali celični funkciji v živih tkivih.

Novejše raziskave rentgenskih žarkov so pokazale, da lahko te mutacije in kemične aberacije povzročijo raka, znanstveniki pa ocenjujejo, da 0,4% raka v ZDA povzročijo CT. Ko so rentgenski žarki naraščali, so raziskovalci začeli priporočati ravni doziranja rentgenskih žarkov, ki so veljale za varne.

Ko je družba sprejela moč rentgenskih žarkov, so zdravniki, znanstveniki in drugi strokovnjaki začeli izražati zaskrbljenost zaradi negativnih vplivov rentgenskih žarkov na zdravje. Kot so raziskovalci opazili, kako bodo rentgenski žarki prehajali skozi telo, ne da bi bili pozorni na to, kako valovi, posebej usmerjeni na področja telesa, niso imeli veliko razlogov, da bi verjeli, da bi lahko bili rentgenski žarki nevarno.

Kljub negativnim posledicam rentgenskih tehnologij na zdravje ljudi je mogoče njihove učinke nadzorovati in vzdrževati, da se prepreči nepotrebna škoda ali tveganje. Medtem ko rak naravno prizadene enega od petih Američanov, CT pregled na splošno poveča tveganje za nastanek raka za .05 odstotkov, nekateri raziskovalci pa trdijo, da nizka izpostavljenost rentgenskim žarkom morda niti ne bo prispevala k posameznikovemu tveganju raka.

Glede na študijo ima človeško telo celo vgrajene načine za popravilo škode, ki jo povzročajo majhni odmerki rentgenskih žarkov v American Journal of Clinical Oncology, ki kaže, da rentgenski pregledi ne predstavljajo nobenega pomembnega tveganja vse.

Otroci so izpostavljeni rentgenskim žarkom večje tveganje za možganski rak in levkemijo. Iz tega razloga lahko zdravniki in drugi strokovnjaki, ko bo otrok potreboval rentgensko slikanje, o tveganjih razpravljajo s skrbniki otrokove družine, da se strinjajo.

Izpostavljenost velikim količinam rentgenskih žarkov lahko povzroči bruhanje, krvavitev, omedlevico, izgubo las in kožo. Lahko povzročijo mutacije v DNK, ker imajo ravno dovolj energije za prekinitev vezi med molekulami DNA.

Še vedno je težko ugotoviti, ali so mutacije v DNK posledica rentgenskega sevanja ali naključnih mutacij same DNK. Znanstveniki lahko preučijo naravo mutacij, vključno z njihovo verjetnostjo, etiologijo in pogostostjo ali so bili dvojni verižni prelomi v DNK rezultat rentgenskega sevanja ali naključnih mutacij DNK sama.