วิธีการคำนวณพลังงานเอ็กซ์เรย์

สูตรทั่วไปสำหรับพลังงานของโฟตอนเดียวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น รังสีเอกซ์ ถูกกำหนดโดยสมการของพลังค์​:

ซึ่งพลังงานอีในจูลเท่ากับผลคูณของค่าคงที่พลังค์ห่า​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) และความถี่ν(ออกเสียงว่า "nu") ในหน่วยของ s^-1. สำหรับความถี่ที่กำหนดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คุณสามารถคำนวณพลังงานเอ็กซ์เรย์ที่เกี่ยวข้องสำหรับโฟตอนเดียวโดยใช้สมการนี้ ใช้ได้กับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุกรูปแบบ รวมทั้งแสงที่มองเห็น รังสีแกมมา และรังสีเอกซ์

•••Syed Hussain Ather A

สมการของพลังค์ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติคล้ายคลื่นของแสง หากคุณนึกภาพแสงเป็นคลื่นตามที่แสดงในแผนภาพด้านบน คุณสามารถจินตนาการได้ว่าแสงนั้นมีแอมพลิจูด ความถี่ และความยาวคลื่นเหมือนกับคลื่นในมหาสมุทรหรือคลื่นเสียง แอมพลิจูดวัดความสูงของยอดหนึ่งยอดตามที่แสดง และโดยทั่วไปจะสอดคล้องกับความสว่างหรือ ความเข้มของคลื่นและความยาวคลื่นวัดระยะทางในแนวนอนที่คลื่นเต็มรอบ ปก. ความถี่คือจำนวนความยาวคลื่นเต็มที่ผ่านจุดที่กำหนดทุกวินาที

•••Syed Hussain Ather A

ในฐานะส่วนหนึ่งของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า คุณสามารถกำหนดความถี่หรือความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ได้เมื่อคุณทราบอย่างใดอย่างหนึ่ง คล้ายกับสมการของพลังค์ ความถี่นี้

โดยที่ λ คือความยาวคลื่นของคลื่น ความเร็วของแสงจะคงที่ในทุกสถานการณ์และทุกตัวอย่าง ดังนั้นสมการนี้แสดงให้เห็นว่าความถี่และความยาวคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีสัดส่วนผกผันกันอย่างไร

ในแผนภาพด้านบนนี้ แสดงความยาวคลื่นต่างๆ ของคลื่นประเภทต่างๆ รังสีเอกซ์อยู่ระหว่างรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) และรังสีแกมมาในสเปกตรัม ดังนั้นคุณสมบัติของรังสีเอกซ์ของความยาวคลื่นและความถี่จึงตกระหว่างกัน

ความยาวคลื่นที่สั้นกว่าบ่งบอกถึงพลังงานและความถี่ที่มากขึ้นซึ่งอาจก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อสุขภาพของมนุษย์ ครีมกันแดดที่ป้องกันรังสียูวีและเสื้อคลุมป้องกันและโล่ตะกั่วที่ป้องกันรังสีเอกซ์ไม่ให้เข้าสู่ผิวหนังแสดงให้เห็นถึงพลังนี้ รังสีแกมมาจากนอกโลกโชคดีที่ชั้นบรรยากาศของโลกดูดกลืน ทำให้ไม่เป็นอันตรายต่อมนุษย์

สุดท้าย ความถี่สามารถสัมพันธ์กับช่วงเวลาได้ตู่ในไม่กี่วินาทีด้วยสมการ

คุณสมบัติเอ็กซ์เรย์เหล่านี้ยังสามารถนำไปใช้กับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ารูปแบบอื่นได้อีกด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งการแผ่รังสีเอกซ์แสดงคุณสมบัติคล้ายคลื่นเหล่านี้ แต่ยังมีคุณสมบัติคล้ายอนุภาคด้วย

นอกจากพฤติกรรมคล้ายคลื่นแล้ว รังสีเอกซ์ยังมีพฤติกรรมเหมือนกระแสของอนุภาค เหมือนกับคลื่นเดี่ยวของรังสีเอกซ์ ประกอบด้วยอนุภาคหนึ่งหลังจากอีกอนุภาคหนึ่งชนกับวัตถุและเมื่อชนกันดูดซับสะท้อนหรือผ่าน or ผ่าน.

เนื่องจากสมการของพลังค์ใช้พลังงานในรูปของโฟตอนเดี่ยว นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแสงถูก "หาปริมาณ" เป็น "แพ็คเก็ต" ของพลังงานเหล่านี้ พวกมันทำมาจากโฟตอนจำนวนหนึ่งซึ่งมีพลังงานที่เรียกว่าควอนตา เมื่ออะตอมดูดซับหรือปล่อยโฟตอน พลังงานจะเพิ่มขึ้นหรือสูญเสียไปตามลำดับ พลังงานนี้สามารถอยู่ในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

ในปี 1923 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน William Duane อธิบายว่ารังสีเอกซ์จะเลี้ยวเบนในผลึกอย่างไรผ่านพฤติกรรมคล้ายอนุภาคเหล่านี้ Duane ใช้การถ่ายโอนโมเมนตัมเชิงปริมาณจากโครงสร้างทางเรขาคณิตของผลึกที่กระจายแสงเพื่ออธิบายว่าคลื่นเอ็กซ์เรย์ที่แตกต่างกันจะมีพฤติกรรมอย่างไรเมื่อผ่านวัสดุ

รังสีเอกซ์ เช่นเดียวกับรูปแบบอื่น ๆ ของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าแสดงความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่น ซึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถอธิบายพฤติกรรมของพวกมันราวกับว่าพวกมันเป็นทั้งอนุภาคและคลื่นพร้อมกัน พวกมันไหลเหมือนคลื่นที่มีความยาวคลื่นและความถี่ในขณะที่ปล่อยอนุภาคออกมาจำนวนหนึ่งราวกับว่าพวกมันเป็นลำแสงของอนุภาค

ตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ Maxwell Planck สมการของพลังค์กำหนดว่าแสงมีพฤติกรรมในลักษณะคล้ายคลื่น แสงยังแสดงคุณสมบัติคล้ายอนุภาคด้วย ความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นของแสงนี้หมายความว่าแม้ว่าพลังงานของแสงจะขึ้นอยู่กับความถี่ของมัน แต่ก็ยังมีพลังงานออกมาในปริมาณที่ไม่ต่อเนื่องซึ่งกำหนดโดยโฟตอน

เมื่อโฟตอนของรังสีเอกซ์สัมผัสกับวัสดุที่แตกต่างกัน บางส่วนจะถูกดูดซับโดยวัสดุในขณะที่บางชนิดผ่านไป รังสีเอกซ์ที่ผ่านเข้ามาช่วยให้แพทย์สร้างภาพภายในร่างกายมนุษย์

การแพทย์ อุตสาหกรรม และการวิจัยในสาขาต่างๆ ผ่านฟิสิกส์และเคมีใช้รังสีเอกซ์ในรูปแบบต่างๆ นักวิจัยด้านการถ่ายภาพทางการแพทย์ใช้รังสีเอกซ์ในการสร้างการวินิจฉัยเพื่อรักษาอาการต่างๆ ภายในร่างกายมนุษย์ รังสีรักษามีการประยุกต์ใช้ในการรักษามะเร็ง

วิศวกรอุตสาหการใช้รังสีเอกซ์เพื่อให้แน่ใจว่าโลหะและวัสดุอื่นๆ มีคุณสมบัติที่เหมาะสมที่จำเป็นสำหรับ วัตถุประสงค์ เช่น การระบุรอยแตกร้าวในอาคารหรือการสร้างโครงสร้างที่ทนต่อ ความดัน.

การวิจัยเกี่ยวกับรังสีเอกซ์ที่โรงงานซินโครตรอนช่วยให้บริษัทต่างๆ ผลิตเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่ใช้ในสเปกโทรสโกปีและการถ่ายภาพ ซินโครตรอนเหล่านี้ใช้แม่เหล็กขนาดใหญ่ในการโค้งงอแสงและบังคับให้โฟตอนส่งวิถีโคจรเหมือนคลื่น เร่งด้วยการเคลื่อนที่เป็นวงกลมที่สิ่งอำนวยความสะดวกเหล่านี้ การแผ่รังสีของพวกมันจะกลายเป็นโพลาไรซ์เชิงเส้นเพื่อผลิต. จำนวนมาก อำนาจ จากนั้นเครื่องจะเปลี่ยนเส้นทางรังสีเอกซ์ไปยังเครื่องเร่งอนุภาคและสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับการวิจัย

การประยุกต์ใช้รังสีเอกซ์ในการแพทย์ทำให้เกิดวิธีการรักษาแบบใหม่หมด รังสีเอกซ์กลายเป็นส่วนสำคัญในกระบวนการระบุอาการภายในร่างกายโดยธรรมชาติที่ไม่รุกราน ซึ่งจะช่วยให้วินิจฉัยได้โดยไม่ต้องเข้าสู่ร่างกาย รังสีเอกซ์ยังมีข้อได้เปรียบในการแนะนำแพทย์ขณะใส่ ถอด หรือดัดแปลงเครื่องมือแพทย์ภายในผู้ป่วย

การถ่ายภาพรังสีเอกซ์มีสามประเภทหลักที่ใช้ในทางการแพทย์ ประการแรก การถ่ายภาพรังสีจะแสดงภาพระบบโครงกระดูกด้วยการแผ่รังสีเพียงเล็กน้อย ประการที่สอง ฟลูออโรสโคปีช่วยให้ผู้เชี่ยวชาญดูสถานะภายในของผู้ป่วยได้แบบเรียลไทม์ นักวิจัยทางการแพทย์ได้ใช้สิ่งนี้ในการเลี้ยงผู้ป่วยแบเรียมเพื่อสังเกตการทำงานของระบบทางเดินอาหารและวินิจฉัยโรคและความผิดปกติของหลอดอาหาร

สุดท้าย การตรวจเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ช่วยให้ผู้ป่วยนอนลงใต้เครื่องสแกนรูปวงแหวนเพื่อสร้างภาพสามมิติของอวัยวะและโครงสร้างภายในของผู้ป่วย ภาพสามมิติถูกรวมเข้าด้วยกันจากภาพตัดขวางจำนวนมากที่ถ่ายจากร่างกายของผู้ป่วย

วิศวกรเครื่องกลชาวเยอรมัน Wilhelm Conrad Roentgen ค้นพบรังสีเอกซ์ในขณะที่เขาทำงานกับหลอดรังสีแคโทดซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ยิงอิเล็กตรอนเพื่อสร้างภาพ หลอดนี้ใช้ซองแก้วที่ป้องกันอิเล็กโทรดในสุญญากาศภายในหลอด โดยการส่งกระแสไฟฟ้าผ่านท่อ เรินต์เกนสังเกตเห็นว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่างๆ ถูกปล่อยออกมาจากอุปกรณ์อย่างไร

เมื่อเรินต์เกนใช้กระดาษสีดำหนาเพื่อป้องกันหลอด เขาพบว่าหลอดดังกล่าวปล่อยแสงฟลูออเรสเซนต์สีเขียว ซึ่งเป็นรังสีเอกซ์ ซึ่งสามารถทะลุผ่านกระดาษและกระตุ้นวัสดุอื่นๆ ได้ เขาพบว่าเมื่ออิเล็กตรอนที่มีประจุเป็นพลังงานจำนวนหนึ่งชนกับวัสดุ รังสีเอกซ์ก็ถูกสร้างขึ้น

Roentgen ตั้งชื่อพวกมันว่า "รังสีเอกซ์" หวังที่จะจับภาพธรรมชาติที่ลึกลับและไม่รู้จักของพวกมัน เรินต์เกนพบว่ามันสามารถผ่านเนื้อเยื่อของมนุษย์ได้ แต่ไม่สามารถผ่านกระดูกหรือโลหะได้ ปลายปี พ.ศ. 2438 วิศวกรได้สร้างภาพมือของภรรยาของเขาโดยใช้รังสีเอกซ์และภาพน้ำหนักในกล่อง ซึ่งเป็นผลงานที่โดดเด่นในประวัติศาสตร์เอ็กซ์เรย์

ในไม่ช้า นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรต่างก็หลงใหลในธรรมชาติอันลึกลับของเอ็กซ์เรย์จึงเริ่มสำรวจความเป็นไปได้ของการใช้เอ็กซ์เรย์ เรินต์เกน (R) จะกลายเป็นหน่วยวัดการได้รับรังสีที่หมดอายุแล้วซึ่งกำหนดเป็นปริมาณ ของการสัมผัสที่จำเป็นเพื่อสร้างหน่วยประจุไฟฟ้าสถิตบวกและลบหน่วยเดียวสำหรับอากาศแห้ง

การสร้างภาพโครงกระดูกและโครงสร้างอวัยวะภายในของมนุษย์และสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ศัลยแพทย์และการแพทย์ นักวิจัยได้สร้างเทคนิคใหม่ในการทำความเข้าใจร่างกายมนุษย์หรือค้นหาว่ากระสุนอยู่ที่ไหนใน ทหารที่ได้รับบาดเจ็บ

ในปี พ.ศ. 2439 นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้เทคนิคนี้เพื่อค้นหาว่ารังสีเอกซ์ประเภทใดสามารถผ่านได้ น่าเสียดายที่หลอดที่ผลิตรังสีเอกซ์จะสลายตัวภายใต้แรงดันไฟฟ้าจำนวนมากที่จำเป็นสำหรับวัตถุประสงค์ทางอุตสาหกรรม จนถึงท่อคูลิดจ์ปี 1913 ของวิลเลียม ดี. วิศวกรฟิสิกส์และวิศวกรชาวอเมริกัน คูลิดจ์ใช้ไส้หลอดทังสเตนเพื่อให้เห็นภาพได้แม่นยำยิ่งขึ้นในด้านรังสีวิทยาที่เกิดใหม่ งานของคูลิดจ์จะทำให้หลอดเอ็กซ์เรย์มีความแน่นหนาในการวิจัยฟิสิกส์

งานอุตสาหกรรมเริ่มต้นขึ้นด้วยการผลิตหลอดไฟ หลอดฟลูออเรสเซนต์ และหลอดสุญญากาศ โรงงานผลิตได้ผลิตภาพเอ็กซ์เรย์ ภาพเอ็กซ์เรย์ ของท่อเหล็กเพื่อตรวจสอบโครงสร้างและองค์ประกอบภายใน ในช่วงทศวรรษที่ 1930 บริษัท General Electric ได้ผลิตเครื่องกำเนิดรังสีเอกซ์จำนวนหนึ่งล้านเครื่องสำหรับการถ่ายภาพรังสีอุตสาหกรรม American Society of Mechanical Engineers เริ่มใช้รังสีเอกซ์เพื่อหลอมรวมภาชนะรับความดันแบบเชื่อมเข้าด้วยกัน

เมื่อพิจารณาว่ารังสีเอกซ์มีพลังงานมากเพียงใดที่มีความยาวคลื่นสั้นและความถี่สูง ในขณะที่สังคมเปิดรับรังสีเอกซ์ในสาขาและสาขาวิชาต่างๆ การได้รับรังสีเอกซ์จะทำให้บุคคลมีอาการระคายเคืองตา อวัยวะล้มเหลว และผิวหนังไหม้ บางครั้งถึงกับสูญเสียแขนขาและ ชีวิต ความยาวคลื่นของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าเหล่านี้สามารถทำลายพันธะเคมีที่อาจทำให้เกิดการกลายพันธุ์ใน DNA หรือการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโมเลกุลหรือการทำงานของเซลล์ในเนื้อเยื่อที่มีชีวิต

งานวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับรังสีเอกซ์แสดงให้เห็นว่าการกลายพันธุ์และความคลาดเคลื่อนทางเคมีเหล่านี้สามารถทำให้เกิดมะเร็งได้ และนักวิทยาศาสตร์ประเมินว่า 0.4% ของมะเร็งในสหรัฐอเมริกานั้นเกิดจากการทำซีทีสแกน เมื่อรังสีเอกซ์ได้รับความนิยม นักวิจัยเริ่มแนะนำปริมาณรังสีเอกซ์ที่ถือว่าปลอดภัย

ในขณะที่สังคมยอมรับพลังของรังสีเอกซ์ แพทย์ นักวิทยาศาสตร์ และผู้เชี่ยวชาญอื่นๆ เริ่มแสดงความกังวลเกี่ยวกับผลกระทบด้านสุขภาพเชิงลบของรังสีเอกซ์ ในขณะที่นักวิจัยสังเกตเห็นว่ารังสีเอกซ์จะผ่านร่างกายได้อย่างไรโดยไม่ได้ใส่ใจอย่างใกล้ชิดว่า คลื่นที่กำหนดเป้าหมายเฉพาะส่วนของร่างกาย พวกเขามีเหตุผลเพียงเล็กน้อยที่จะเชื่อว่ารังสีเอกซ์อาจเป็นได้ อันตราย

แม้จะมีผลกระทบเชิงลบของเทคโนโลยีเอ็กซ์เรย์ต่อสุขภาพของมนุษย์ แต่ผลกระทบของสิ่งเหล่านี้สามารถควบคุมและรักษาไว้ได้เพื่อป้องกันอันตรายหรือความเสี่ยง แม้ว่ามะเร็งจะส่งผลกระทบต่อคนอเมริกัน 1 ใน 5 ตามธรรมชาติ แต่การสแกน CT มักจะเพิ่มความเสี่ยงของโรคมะเร็งได้ .05 เปอร์เซ็นต์และนักวิจัยบางคนโต้แย้งว่าการได้รับรังสีเอกซ์ต่ำอาจไม่ส่งผลต่อความเสี่ยงของแต่ละบุคคล โรคมะเร็ง.

ร่างกายมนุษย์ยังมีวิธีการซ่อมแซมความเสียหายที่เกิดจากรังสีเอกซ์ในปริมาณต่ำอีกด้วย ใน American Journal of Clinical Oncology แนะนำว่าการสแกนด้วย X-ray ไม่ก่อให้เกิดความเสี่ยงอย่างมีนัยสำคัญที่ ทั้งหมด.

เด็กมีความเสี่ยงที่จะเป็นมะเร็งสมองและมะเร็งเม็ดเลือดขาวมากขึ้นเมื่อได้รับรังสีเอกซ์ ด้วยเหตุนี้ เมื่อเด็กอาจต้องสแกนเอ็กซ์เรย์ แพทย์และผู้เชี่ยวชาญอื่นๆ จะหารือเกี่ยวกับความเสี่ยงกับผู้ปกครองของครอบครัวของเด็กเพื่อให้คำยินยอม

การได้รับรังสีเอกซ์ในปริมาณสูงอาจทำให้อาเจียน เลือดออก เป็นลม ผมร่วง และผิวหนังร่วง พวกมันสามารถทำให้เกิดการกลายพันธุ์ใน DNA ได้เพราะมีพลังงานเพียงพอที่จะทำลายพันธะระหว่างโมเลกุลของ DNA

ยังคงยากที่จะระบุได้ว่าการกลายพันธุ์ใน DNA นั้นเกิดจากการฉายรังสีเอกซ์หรือการกลายพันธุ์แบบสุ่มของ DNA เองหรือไม่ นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาธรรมชาติของการกลายพันธุ์ รวมถึงความน่าจะเป็น สาเหตุ และความถี่ในการหาค่า การแตกของสองสายใน DNA นั้นเป็นผลมาจากการฉายรังสีเอกซ์หรือการกลายพันธุ์แบบสุ่มของ DNA ตัวเอง.