Hur man beräknar röntgenergi

Den allmänna formeln för energi av en enda foton av en elektromagnetisk våg, såsom en röntgen, ges avPlancks ekvation​:

i vilken energiEi Joule är lika med produkten av Plancks konstanth​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) och frekvensenν(uttalas "nu") i enheter av s^-1. För en given frekvens av en elektromagnetisk våg kan du beräkna tillhörande röntgenergi för en enskild foton med hjälp av denna ekvation. Det gäller alla former av elektromagnetisk strålning inklusive synligt ljus, gammastrålning och röntgenstrålning.

•••Syed Hussain Ather

Plancks ekvation beror på vågliknande egenskaper hos ljus. Om du föreställer dig ljus som en våg som visas i diagrammet ovan, kan du föreställa dig att den har en amplitud, frekvens och våglängd precis som en havsvåg eller en ljudvåg. Amplituden mäter höjden på en topp som visas och motsvarar i allmänhet ljusstyrkan eller vågens intensitet och våglängden mäter det horisontella avståndet som en full vågcykel täcker. Frekvensen är antalet fulla våglängder som passerar en viss punkt varje sekund.

•••Syed Hussain Ather

Som en del av det elektromagnetiska spektrumet kan du bestämma antingen frekvensen eller våglängden för en röntgen när du känner till den ena eller den andra. Liknar Plancks ekvation, denna frekvensνav en elektromagnetisk våg avser ljusets hastighetc, 3 x 10^-8 m / s, med ekvationen

i vilken λ är våglängden. Ljusets hastighet förblir konstant i alla situationer och exempel, så denna ekvation visar hur frekvensen och våglängden hos en elektromagnetisk våg är omvänt proportionell mot varandra.

I ovanstående diagram visas de olika våglängderna för olika typer av vågor. Röntgenstrålar ligger mellan ultraviolett (UV) och gammastrålning i spektrumet så röntgenegenskaper för våglängd och frekvens faller mellan dem.

Kortare våglängder indikerar större energi och frekvens som kan utgöra risker för människors hälsa. Solskyddsmedel som blockerar mot UV-strålar och skyddande lager och blyskydd som blockerar röntgenstrålar från att komma in i huden visar denna kraft. Gammastrålar från yttre rymden absorberas lyckligtvis av jordens atmosfär och hindrar dem från att skada människor.

Slutligen kan frekvensen relateras till periodTi sekunder med ekvationen

Dessa röntgenegenskaper kan också tillämpas på andra former av elektromagnetisk strålning. Speciellt röntgenstrålning visar dessa vågliknande egenskaper, men också partikelliknande.

Förutom vågliknande beteenden beter sig röntgenstrålar som en ström av partiklar som om en enda röntgenvåg bestod av den ena partikeln efter den andra som kolliderade med föremål och vid kollision absorberar, reflekterar eller passerar genom.

Eftersom Plancks ekvation använder energi i form av enstaka fotoner säger forskare att elektromagnetiska ljusvågor "kvantiseras" till dessa "energipaket". De är gjorda av specifika mängder foton som bär diskreta mängder energi som kallas kvanta. När atomer absorberar eller avger fotoner ökar de respektive energi eller tappar den. Denna energi kan ha formen av elektromagnetisk strålning.

1923 förklarade den amerikanska fysikern William Duane hur röntgenstrålar skulle brytas i kristaller genom dessa partikelliknande beteenden. Duane använde den kvantiserade momentumöverföringen från den geometriska strukturen hos den brytande kristallen för att förklara hur olika röntgenvågor skulle uppträda när de passerar genom materialet.

Röntgenstrålar, liksom andra former av elektromagnetisk strålning, uppvisar denna vågpartikel dualitet som låter forskare beskriva deras beteende som om de vore både partiklar och vågor samtidigt. De flyter som vågor med en våglängd och frekvens medan de avger mängder av partiklar som om de vore partiklar.

Plancks ekvation är uppkallad efter den tyska fysikern Maxwell Planck och dikterar att ljuset beter sig på detta vågliknande sätt, och ljuset visar också partikelliknande egenskaper. Denna vågpartikel dualitet av ljus betyder att även om ljusets energi beror på dess frekvens, kommer det fortfarande i diskreta mängder energi som dikteras av fotoner.

När röntgenstrålens fotoner kommer i kontakt med olika material, absorberas vissa av dem av materialet medan andra passerar igenom. Röntgenstrålarna som går igenom låter läkare skapa interna bilder av människokroppen.

Medicin, industri och olika forskningsområden genom fysik och kemi använder röntgen på olika sätt. Medicinsk bildforskare använder röntgen för att skapa diagnoser för att behandla tillstånd i människokroppen. Strålbehandling har tillämpningar inom cancerbehandling.

Industriella ingenjörer använder röntgenstrålar för att säkerställa att metaller och andra material har lämpliga egenskaper som krävs för syften som att identifiera sprickor i byggnader eller skapa strukturer som tål stora mängder tryck.

Forskning på röntgenstrålar vid synkrotronanläggningar gör det möjligt för företag att tillverka vetenskapliga instrument som används i spektroskopi och bildbehandling. Dessa synkrotroner använder stora magneter för att böja ljus och tvinga fotonerna att ta vågliknande banor när röntgenstrålar är accelereras i cirkulära rörelser vid dessa anläggningar blir deras strålning linjärt polariserad för att producera stora mängder kraft. Maskinen dirigerar sedan röntgenstrålarna mot andra acceleratorer och forskningsanläggningar.

Användningen av röntgen i medicin skapade helt nya, innovativa behandlingsmetoder. Röntgenstrålar blev en integrerad del av processen att identifiera symtom i kroppen genom deras icke-invasiva natur som skulle låta dem diagnostisera utan att behöva fysiskt komma in i kroppen. Röntgenstrålar hade också fördelen att vägleda läkare när de satte in, avlägsnade eller modifierade medicintekniska produkter i patienter.

Det finns tre huvudtyper av röntgenbilder som används inom medicin. Den första, radiografi, avbildar skelettsystemet med endast små mängder strålning. Den andra, fluoroskopi, låter yrkesverksamma se patientens interna tillstånd i realtid. Medicinska forskare har använt detta för att mata patienter med barium för att observera hur deras matsmältningsorgan fungerar och diagnostisera matstrupssjukdomar och störningar.

Slutligen låter datortomografi patienter ligga under en ringformad skanner för att skapa en tredimensionell bild av patientens inre organ och strukturer. De tredimensionella bilderna sammanställs från många tvärsnittsbilder tagna av patientens kropp.

Tysk maskiningenjör Wilhelm Conrad Roentgen upptäckte röntgenstrålar medan han arbetade med katodstrålerör, en anordning som avfyrade elektroner för att producera bilder. Röret använde ett glashölje som skyddade elektroderna i vakuum inuti röret. Genom att skicka elektriska strömmar genom röret observerade Roentgen hur olika elektromagnetiska vågor emitterades från enheten.

När Roentgen använde ett tjockt svart papper för att skydda röret, fann han att röret avgav ett grönt fluorescerande ljus, en röntgen, som kunde passera genom papperet och stimulera andra material. Han fann att när laddade elektroner av en viss mängd energi skulle kollidera med material producerades röntgenstrålar.

Roentgen kallade dem "röntgenstrålar" och hoppades fånga deras mystiska, okända natur. Roentgen upptäckte att det kunde passera genom mänsklig vävnad, men inte genom ben eller metall. I slutet av 1895 skapade ingenjören en bild av sin frus hand med röntgenstrålar samt en bild av vikter i en låda, en anmärkningsvärd bedrift i röntgenhistoria.

Snart blev forskare och ingenjörer lockade av röntgenens mystiska natur och började utforska möjligheterna för röntgenanvändning. Roentgen (R) skulle bli en nu avstängd enhet för mätning av strålningsexponering som skulle definieras som mängden exponering som är nödvändig för att skapa en enda positiv och negativ enhet för elektrostatisk laddning för torr luft.

Producerar bilder av de inre skelett- och organstrukturerna hos människor och andra varelser, kirurger och medicinska forskare skapade innovativa tekniker för att förstå människokroppen eller ta reda på var kulor befann sig sårade soldater.

År 1896 använde forskare redan teknikerna för att ta reda på vilka typer av materieröntgenstrålar som kunde passera. Tyvärr skulle rören som producerar röntgenstrålar brytas ner under de stora mängder spänning som behövs för industriella ändamål fram till 1913 Coolidge-rören från den amerikanska fysikingenjören William D. Coolidge använde ett volframfilament för mer exakt visualisering inom det nyfödda området radiologi. Coolidges arbete skulle grunda röntgenrör i fysikforskningen.

Industriarbetet tog fart med produktionen av glödlampor, lysrör och vakuumrör. Tillverkningsanläggningar producerade röntgenbilder, röntgenbilder av stålrör för att verifiera deras inre strukturer och sammansättning. Vid 1930-talet hade General Electric Company producerat en miljon röntgengeneratorer för industriell radiografi. American Society of Mechanical Engineers började använda röntgen för att smälta samman svetsade tryckkärl.

Med tanke på hur mycket energi röntgenstrålar packar med sina korta våglängder och höga frekvenser, när samhället omfamnade röntgenstrålar inom olika områden och discipliner, exponering för röntgen skulle få individer att uppleva ögonirritation, organsvikt och hudbrännskador, ibland till och med resultera i förlust av ben och liv. Dessa våglängder i det elektromagnetiska spektrumet kan bryta kemiska bindningar som skulle orsaka mutationer i DNA eller förändringar i molekylär struktur eller cellulär funktion i levande vävnader.

Nyare forskning om röntgen har visat att dessa mutationer och kemiska avvikelser kan orsaka cancer, och forskare uppskattar att 0,4% av cancer i USA orsakas av CT-skanningar. När röntgenbildningar ökade i popularitet började forskare rekommendera nivåer av röntgendosering som ansågs säkra.

När samhället omfamnade röntgenstrålarna började läkare, forskare och andra yrkesverksamma uttrycka sin oro över röntgenstrålarnas negativa hälsoeffekter. Som forskare observerade hur röntgenstrålar skulle passera genom kroppen utan att ägna stor uppmärksamhet åt hur vågor specifikt riktade mot kroppsdelar, hade de liten anledning att tro att röntgen skulle kunna vara farlig.

Trots röntgenteknikens negativa konsekvenser för människors hälsa kan deras effekter kontrolleras och bibehållas för att förhindra onödig skada eller risk. Medan cancer naturligt drabbar 1 av 5 amerikaner, ökar en CT-skanning i allmänhet risken för cancer med 0,05 procent, och vissa forskare hävdar att låg röntgen exponering inte ens kan bidra till en individs risk för cancer.

Människokroppen har till och med inbyggda sätt att reparera skador orsakade av låga doser av röntgenstrålar, enligt en studie i American Journal of Clinical Oncology, vilket tyder på att röntgenundersökningar inte utgör någon signifikant risk vid Allt.

Barn löper större risk för hjärncancer och leukemi när de utsätts för röntgenstrålning. Av detta skäl, när ett barn kan behöva röntgenundersökning, diskuterar läkare och andra yrkesverksamma riskerna med vårdnadshavare för barnets familj för att ge samtycke.

Exponering för stora mängder röntgen kan leda till kräkningar, blödningar, svimning, håravfall och håravfall. De kan orsaka mutationer i DNA eftersom de har tillräckligt med energi för att bryta bindningar mellan DNA-molekyler.

Det är fortfarande svårt att avgöra om mutationer i DNA beror på röntgenstrålning eller slumpmässiga mutationer av DNA i sig. Forskare kan studera mutationernas natur inklusive sannolikhet, etiologi och frekvens för att bestämma huruvida dubbelsträngsbrott i DNA var resultatet av röntgenstrålning eller slumpmässiga DNA-mutationer sig.