Як розрахувати енергію рентгенівських променів

Загальна формула енергії окремого фотона електромагнітної хвилі, такої як рентген, дана формулоюРівняння Планка​:

в якій енергіяЕв Джоулях дорівнює добутку постійної Планкаh​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) та частотаν(вимовляється "nu") в одиницях s^-1. Для даної частоти електромагнітної хвилі ви можете розрахувати відповідну енергію рентгенівського випромінювання для одного фотона, використовуючи це рівняння. Це стосується всіх форм електромагнітного випромінювання, включаючи видиме світло, гамма-промені та рентгенівські промені.

•••Саєд Хуссейн Атер

Рівняння Планка залежить від хвилеподібних властивостей світла. Якщо ви уявляєте світло як хвилю, як показано на діаграмі вище, ви можете уявити, що воно має амплітуду, частоту та довжину хвилі так само, як це може зробити океанська хвиля або звукова хвиля. Амплітуда вимірює висоту одного гребеня, як показано, і, як правило, відповідає яскравості або інтенсивність хвилі, а довжина хвилі вимірює горизонтальну відстань, повний цикл хвилі чохли. Частота - це кількість повних довжин хвиль, які проходять повз дану точку щосекунди.

•••Саєд Хуссейн Атер

Як частина електромагнітного спектра, ви можете визначити частоту або довжину хвилі рентгенівського випромінювання, коли ви знаєте те чи інше. Подібно до рівняння Планка, ця частотаνелектромагнітної хвилі відноситься до швидкості світлаc, 3 х 10^-8 м / с, з рівнянням

в якій λ - довжина хвилі хвилі. Швидкість світла залишається незмінною у всіх ситуаціях та на прикладах, тому це рівняння демонструє, як частота та довжина хвилі електромагнітної хвилі обернено пропорційні одна одній.

На наведеній вище схемі показані різні довжини хвиль різних типів хвиль. Рентген лежить між ультрафіолетовим (УФ) та гамма-променями в спектрі, тому рентгенівські властивості довжини хвилі та частоти падають між ними.

Коротша довжина хвилі вказує на більшу енергію та частоту, що може становити ризик для здоров'я людини. Сонцезахисні креми, які блокують від УФ-променів, захисні шари та свинцеві екрани, що блокують проникнення рентгенівських променів у шкіру, демонструють цю силу. На щастя, гамма-промені з космічного простору поглинаються атмосферою Землі, не даючи їм шкодити людям.

Нарешті, частота може бути пов’язана з періодомТза секунди з рівнянням

Ці властивості рентгенівського випромінювання можуть застосовуватися і до інших форм електромагнітного випромінювання. Рентгенівське випромінювання, зокрема, виявляє ці хвилеподібні властивості, але також і подібні частинкам.

На додаток до хвилеподібної поведінки, рентгенівські промені поводяться як потік частинок, як ніби одна хвиля рентгенівського випромінювання складалися з однієї частинки за іншою, що стикаються з предметами і при зіткненні поглинають, відбивають або проходять через.

Оскільки рівняння Планка використовує енергію у вигляді одиночних фотонів, вчені кажуть, що електромагнітні хвилі світла "квантуються" в ці "пакети" енергії. Вони зроблені з певної кількості фотонів, які несуть дискретні кількості енергії, які називаються квантами. Оскільки атоми поглинають або випромінюють фотони, вони відповідно збільшують або втрачають енергію. Ця енергія може приймати форму електромагнітного випромінювання.

У 1923 році американський фізик Вільям Дуейн пояснив, як рентгенівські промені дифракціюватимуть у кристалах за допомогою подібної поведінки частинок. Дуейн використовував квантований передачу імпульсу від геометричної структури дифракційного кристала, щоб пояснити, як поводитимуться різні рентгенівські хвилі при проходженні крізь матеріал.

Рентгенівські промені, як і інші форми електромагнітного випромінювання, демонструють цю подвійність хвильових частинок, що дозволяє вченим описувати їх поведінку так, ніби вони одночасно були і частинками, і хвилями. Вони течуть як хвилі з довжиною хвилі та частотою, випромінюючи кількість частинок, ніби це пучки частинок.

Названий на честь німецького фізика Максвелла Планка, рівняння Планка диктує, що світло поводиться таким хвилеподібним чином, світло також виявляє властивості, подібні частинкам. Ця подвійність хвильових частинок світла означає, що, хоча енергія світла залежить від його частоти, воно все одно надходить у дискретних кількостях енергії, продиктованих фотонами.

Коли фотони рентгенівських променів контактують з різними матеріалами, деякі з них поглинаються матеріалом, а інші проходять через них. Рентгенівські промені, що проходять через них, дозволяють лікарям створювати внутрішні образи людського тіла.

Медицина, промисловість та різні галузі досліджень за допомогою фізики та хімії використовують рентгенівські промені по-різному. Дослідники медичної візуалізації використовують рентгенівські промені для створення діагнозів для лікування станів в організмі людини. Радіотерапія має застосування в лікуванні раку.

Промислові інженери використовують рентгенівське випромінювання, щоб забезпечити належні властивості металів та інших матеріалів такі цілі, як виявлення тріщин у будівлях або створення конструкцій, які витримують велику кількість тиску.

Дослідження рентгенівських променів на синхротронних установках дозволяють компаніям виробляти наукові прилади, що використовуються в спектроскопії та візуалізації. Ці синхротрони використовують великі магніти, щоб згинати світло і змушувати фотони приймати хвилеподібні траєкторії, коли рентгенівські промені прискорюючись круговими рухами на цих об'єктах, їх випромінювання стає лінійно поляризованим, утворюючи велику кількість потужність. Потім апарат перенаправляє рентгенівські промені на інші прискорювачі та засоби для досліджень.

Застосування рентгенівських променів у медицині створило абсолютно нові, інноваційні методи лікування. Рентгенівські промені стали невід’ємною частиною процесу ідентифікації симптомів в організмі завдяки своїй неінвазивній природі, що дозволило б їм діагностувати без необхідності фізичного потрапляння в організм. Рентген також мав ту перевагу, що керував лікарями, коли вони вставляли, виймали або модифікували медичні вироби у пацієнтів.

Існує три основних типи рентгенівських зображень, що застосовуються в медицині. Перша, рентгенографія, зображує кісткову систему лише з невеликою кількістю випромінювання. Друга, флюороскопія, дозволяє професіоналам переглядати внутрішній стан пацієнта в режимі реального часу. Медичні дослідники використовували це для годування пацієнтів барієм для спостереження за роботою їх шлунково-кишкового тракту та діагностики захворювань та розладів стравоходу.

Нарешті, комп’ютерна томографія дозволяє пацієнтам лягти під кільцеподібний сканер, щоб створити тривимірне зображення внутрішніх органів та структур пацієнта. Тривимірні зображення об'єднуються з багатьох зображень поперечного перерізу, зроблених на тілі пацієнта.

Німецький інженер-механік Вільгельм Конрад Рентген відкрив рентгенівські промені під час роботи з електронно-променевими трубками - пристроєм, який випускав електрони для отримання зображень. У трубці використовувався скляний конверт, який захищав електроди у вакуумі всередині трубки. Посилаючи електричні струми через трубку, Рентген спостерігав, як різні електромагнітні хвилі випускаються з пристрою.

Коли Рентген використовував щільний чорний папір для захисту трубки, він виявив, що трубка випромінювала зелене флуоресцентне світло, рентгенівське випромінювання, яке могло проходити крізь папір та підсилювати інші матеріали. Він виявив, що коли заряджені електрони певної кількості енергії стикаються з матеріалом, виробляються рентгенівські промені.

Називаючи їх "рентгенівськими променями", Рентген сподівався вловити їх таємничу, невідому природу. Рентген виявив, що він може проходити через тканини людини, але не через кістку та метал. Наприкінці 1895 року інженер створив зображення руки своєї дружини за допомогою рентгенівських променів, а також зображення ваг у коробці, що є помітним подвигом в історії рентгенівських променів.

Незабаром вчені та інженери зачарувались таємничою природою рентгена і почали вивчати можливості використання рентгенівських променів. Рентген (Р) став би вже неіснуючою одиницею вимірювання радіаційного опромінення, яка визначалася б як величина експозиції, необхідної для складання єдиної позитивної та негативної одиниці електростатичного заряду для сухого повітря.

Виробництво зображень внутрішніх структур скелета та органів людини та інших істот, хірургів та медиків дослідники створили інноваційні методи розуміння людського тіла або з'ясування, де знаходяться кулі поранені солдати.

До 1896 року вчені вже застосовували методи, щоб з'ясувати, через які види речовини можуть проходити рентгенівські промені. На жаль, трубки, що виробляють рентгенівське випромінювання, руйнувались би під великою кількістю напруги, необхідної для промислових цілей, до трубок Куліджа 1913 року американського фізика-інженера Вільяма Д. Кулідж використовував вольфрамову нитку для точнішої візуалізації в новонародженій галузі радіології. Робота Куліджа міцно заземлила рентгенівські трубки у фізичних дослідженнях.

Промислові роботи розпочались із виробництвом лампочок, люмінесцентних ламп та вакуумних ламп. Виробничі заводи виготовляли рентгенограми, рентгенівські знімки сталевих труб для перевірки їхньої внутрішньої структури та складу. До 1930-х років компанія General Electric випустила мільйон генераторів рентгенівських променів для промислової рентгенографії. Американське товариство інженерів-механіків почало використовувати рентгенівські промені для злиття зварених посудин під тиском.

Беручи до уваги, скільки енергії рентгенівські промені заповнюють своїми короткими довжинами хвиль і високими частотами, коли суспільство охоплювало рентгенівські промені в різних галузях та дисциплінах вплив рентгенівських променів призведе до подразнення очей, відмови органів та опіків шкіри, іноді навіть призводить до втрати кінцівок та життя. Ці довжини хвиль електромагнітного спектра можуть розривати хімічні зв’язки, які спричинять мутації в ДНК або зміни молекулярної структури або клітинної функції живих тканин.

Більш пізні дослідження рентгенівських променів показали, що ці мутації та хімічні аберації можуть спричинити рак, і, за оцінками вчених, 0,4% ракових захворювань у США спричинені КТ. У міру зростання популярності рентгенівських променів дослідники почали рекомендувати рівні дозування рентгенівських променів, які вважалися безпечними.

Коли суспільство сприйняло силу рентгенівських променів, лікарі, вчені та інші фахівці почали висловлювати свою стурбованість з приводу негативних наслідків рентгенівських променів для здоров’я. Як дослідники спостерігали, як рентгенівські промені будуть проходити через тіло, не звертаючи пильної уваги на те, як хвилі, спеціально націлені на ділянки тіла, у них було мало підстав вважати, що рентген може бути таким небезпечний.

Незважаючи на негативні наслідки рентгенівських технологій для здоров'я людини, їх вплив можна контролювати та підтримувати, щоб запобігти непотрібній шкоді чи ризику. Хоча рак природним чином вражає кожного п’ятого американця, томографія зазвичай підвищує ризик раку на 0,05 відсотків, а деякі дослідники стверджують, що низька рентгенівська експозиція може навіть не сприяти ризику людини рак.

Згідно з дослідженням, людське тіло навіть має вбудовані способи відновлення пошкоджень, спричинених низькими дозами рентгенівських променів в Американському журналі клінічної онкології, вказуючи на те, що рентгенологічне сканування не становить значного ризику всі.

Діти піддаються більшому ризику раку мозку та лейкемії під впливом рентгенівських променів. З цієї причини, коли дитині може знадобитися рентгенівське сканування, лікарі та інші фахівці обговорюють ризики з опікунами сім'ї дитини, щоб надати згоду.

Вплив великої кількості рентгенівських променів може спричинити блювоту, кровотечу, непритомність, втрату волосся та шкіру. Вони можуть викликати мутації в ДНК, оскільки вони мають достатньо енергії для розриву зв’язків між молекулами ДНК.

Досі важко визначити, чи є мутації в ДНК через рентгенівське випромінювання або випадкові мутації самої ДНК. Вчені можуть вивчити природу мутацій, включаючи їх вірогідність, етіологію та частоту, щоб визначити чи дволанцюгові розриви в ДНК були результатом рентгенівського випромінювання або випадковими мутаціями ДНК себе.