Hogyan lehet kiszámítani a röntgen energiát?

Tartalom

• Röntgen, mint hullámok
• Röntgen mint részecskék
• Röntgen energia felhasználása
• Röntgen a gyakorlati alkalmazásban
• Röntgen az orvostudományban
• Röntgenelőzmények: Kezdet
• Röntgen előzmények: terjed
• Röntgen negatív egészségügyi hatások
• Röntgenbiztonság
• Röntgen a DNS-en

Az elektromágneses hullám egyetlen fotonjának, például a röntgennek az általános energiaképletét az adja meg Plancks egyenlet: E = hv, amelyben az energia E Joules-ban megegyezik a Plancks szorzatának szorzatával h (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) és a frekvencia ν (kiejtve "nu") s_ mértékegységben^-1_. Az elektromágneses hullám adott frekvenciájára kiszámolhatja az egyes fotonokhoz tartozó röntgenenergiát ennek az egyenletnek a segítségével. Ez az elektromágneses sugárzás minden formájára vonatkozik, beleértve a látható fényt, a gamma-sugarakat és a röntgen-sugarakat.

••• Syed Hussain Ather

A Plancks-egyenlet a fény hullámszerű tulajdonságaitól függ. Ha a fényt egy hullámként képzeli el, amint azt a fenti ábra mutatja, akkor elképzelheti, hogy aminek amplitúdója, frekvenciája és hullámhossza megegyezik az óceán hullámával vagy hanghullámával. Az amplitúdó az egyik csúcs magasságát mutatja, amint az ábrán látható, és általában megfelel a hullám fényességének vagy intenzitásának, és a hullámhossz azt a vízszintes távolságot méri, amelyet a teljes hullámciklus lefedi. A frekvencia a teljes hullámhosszok száma, amely másodpercenként egy adott ponton halad át.

Röntgen, mint hullámok

••• Syed Hussain Ather

Az elektromágneses spektrum részeként meghatározhatja a röntgen frekvenciáját vagy hullámhosszát is, ha ismeri valamelyikét. A Plancks-egyenlethez hasonlóan ez a frekvencia ν egy elektromágneses hullámnak a fény sebességére vonatkozik c, 3 x 10^-8 m / s, az egyenlettel c = λν ahol λ a hullám hullámhossza. A fénysebesség minden helyzetben és példában állandó marad, tehát ez az egyenlet megmutatja, hogy az elektromágneses hullám frekvenciája és hullámhossza fordítottan arányos-e egymással.

A fenti ábra a különféle hullámtípusok különböző hullámhosszait mutatja. A röntgen a spektrum ultraibolya (UV) és gamma sugarai között fekszik, így a hullámhossz és a frekvencia röntgen tulajdonságai esnek közöttük.

A rövidebb hullámhosszok nagyobb energiát és frekvenciát jeleznek, amelyek veszélyt jelenthetnek az emberi egészségre. Az UV sugárzás ellen blokkoló fényvédő szerek, valamint az ólomvédő rétegek és pajzsok, amelyek megakadályozzák a röntgen bejutását a bőrbe, igazolják ezt az erőt. A világűrből származó gammasugarakat szerencsére felszívja a Föld légköre, megakadályozva őket, hogy az embereket károsítsák.

Végül a gyakoriság az időszakhoz köthető T másodpercben az egyenlettel T = 1 / f. Ezek a röntgen tulajdonságok alkalmazhatók az elektromágneses sugárzás más formáira is. Különösen a röntgen sugárzás mutatja ezeket a hullámszerű tulajdonságokat, de a részecskemű tulajdonságokat is.

Röntgen mint részecskék

A hullámszerű viselkedésen kívül a röntgen úgy viselkedik, mint egy részecskeáram, mintha a röntgen egyetlen hulláma egy részecskéből álljon, egymás után ütközzenek a tárgyakhoz, és ütközéskor elnyeljenek, tükrözzék vagy áthaladjanak.

Mivel a Plancks-egyenlet az energiát egyetlen foton formájában használja fel, a tudósok szerint a fény elektromágneses hullámait "kvantálják" ezekbe az energiacsomagokba. Specifikus mennyiségű fotonból készülnek, amely diszkrét mennyiségű energiát hordoz kvantának. Amint az atomok fotonokat abszorbeálnak vagy bocsátanak ki, növelik az energiát, vagy elveszítik azt. Ez az energia elektromágneses sugárzás formájában fordulhat elő.

1923-ban William Duane amerikai fizikus elmagyarázta, hogy a röntgenfelületek hogyan diffrakcionálódnak a kristályokban ezen részecskeszerű viselkedés révén. Duane a diffrakciós kristály geometriai szerkezetéből származó kvantált impulzusátvitelt magyarázta, hogy viselkedjenek a különböző röntgenhullámok, ha az anyagon áthaladnak.

A röntgen, akárcsak az elektromágneses sugárzás más formái, megmutatja ezt a hullám-részecske-kettõsséget, amely lehetõvé teszi a tudósoknak, hogy úgy írják le viselkedésüket, mintha egyszerre lennének részecskék és hullámok. Úgy hullámoznak, mint hullámhossz és frekvencia, miközben a részecskék mennyiségét kibocsátják, mintha részecskenyalábok lennének.

Röntgen energia felhasználása

Maxwell Planck német fizikusnak nevezték el, és a Plancks-egyenlet azt diktálja, hogy a fény ilyen hullámszerűen viselkedik, a fény részecskemű tulajdonságokkal is rendelkezik. Ez a fény hullám-részecske-kettőssége azt jelenti, hogy bár a fény energiája függ a frekvenciájától, a fotonok által diktált diszkrét energiamennyiségben is érkezik.

Amikor a röntgen fotonok érintkezésbe kerülnek különböző anyagokkal, ezek közül néhányat az anyag abszorbeál, míg mások átjutnak. Az áthaladó röntgen segítségével az orvosok belső képeket készíthetnek az emberi testről.

Röntgen a gyakorlati alkalmazásban

Az orvostudomány, az ipar és a kutatás különféle területei a fizikán és a kémán keresztül különböző módon használják a röntgenfelvételeket. Az orvosi képalkotó kutatók röntgenfelvételeket használnak diagnózis készítéséhez az emberi test állapotának kezelésére. A sugárterápia alkalmazható a rák kezelésében.

Az ipari mérnökök röntgenfelvételeket használnak annak biztosítására, hogy a fémek és más anyagok megfelelő tulajdonságokkal rendelkezzenek, például az épületek repedéseinek azonosításához vagy a nagy nyomásnak ellenálló struktúrák létrehozásához.

A szinkrotron létesítményekben végzett röntgen-kutatások lehetővé teszik a vállalatok számára a spektroszkópiában és a képalkotásban használt tudományos műszerek gyártását.Ezek a szinkrotronok nagy mágneseket használnak a fény meghajlására, és a fotonokat arra kényszerítik, hogy hullámaszerű pályákat vegyenek. Amikor ezekben a létesítményekben körkörös mozdulatokkal röntgenfelvételeket gyorsítanak fel, sugárzásuk lineárisan polarizálódik és nagy mennyiségű energiát termelnek. A gép ezután átirányítja a röntgenfelvételeket más gyorsítók és kutatási létesítmények felé.

Röntgen az orvostudományban

A röntgen alkalmazása a gyógyászatban teljesen új, innovatív kezelési módszereket hozott létre. A röntgenképesség szerves részévé vált a testben fellépő tünetek nem-invazív természetükön keresztüli azonosításának folyamatában, amely lehetővé tenné a diagnózist anélkül, hogy fizikailag be kellene lépniük a testbe. A röntgenfelvételnek az az előnye is volt, hogy orvosokat vezet be, amikor orvostechnikai eszközöket helyeztek be, távolították el vagy módosították a betegek belsejében.

A röntgenképezés három fő típusa van az orvostudományban. Az első, a radiográfia, a vázrendszert csak kis mennyiségű sugárzással ábrázolja. A második, a fluoroszkópia segítségével a szakemberek valós időben megnézhetik a beteg belső állapotát. Az orvosi kutatók ezt felhasználták a betegek báriumának etetésére, hogy megfigyeljék emésztőrendszerük működését, és nyelőcsőbetegségek és rendellenességek diagnosztizálására használják.

Végül, a számítógépes tomográfia lehetővé teszi a betegeknek, hogy feküdjenek egy gyűrű alakú szkenner alatt, hogy háromdimenziós képet kapjanak a betegek belső szerveiről és szerkezetéről. A háromdimenziós képeket a beteg testétől vett sok keresztmetszeti képről összevonják.

Röntgenelőzmények: Kezdet

A német gépészmérnök, Wilhelm Conrad Roentgen röntgenfelvételeket fedezett fel, miközben katódsugárcsövekkel dolgozott, egy olyan készülékkel, amely elektronokat készített a képek előállításához. A cső üveg borítékot használt, amely védi az elektródákat a cső belsejében lévő vákuumban. Az elektromos áramok csövön keresztüli áramlásával Roentgen megfigyelte, hogy az elektromágneses hullámok milyen különféle sugárzásokkal bocsátanak ki az eszközről.

Amikor Roentgen vastag fekete papírt használt a cső védelmére, úgy találta, hogy a cső zöld fluoreszkáló fényt bocsát ki, egy röntgen, amely áthaladhat a papíron és energiát adhat más anyagokra. Megállapította, hogy ha egy bizonyos mennyiségű energia töltött elektronjai ütköznek az anyaggal, röntgenfelvételeket generálnak.

Röntgenként elnevezve Roentgen remélte, hogy elfoglalja titokzatos, ismeretlen természetüket. Roentgen felfedezte, hogy átjuthat az emberi szöveteken, de nem csonton vagy fémen keresztül. 1895 végén a mérnök a röntgenfelvételekkel képet alkotott feleségéről, valamint egy dobozban lévő súlyt, amely a röntgen történelem során figyelemre méltó.

Röntgen előzmények: terjed

Hamarosan a tudósok és a mérnökök ráébredtek a röntgenfelvételekre. A rejtélyes természet elkezdte feltárni a röntgen alkalmazás lehetőségeit. A roentgen (R) a sugárterhelés mérésének egy most már nem működő egységévé válik, amelyet úgy határozunk meg, hogy az expozíció mértéke szükséges-e az elektrosztatikus töltés egyetlen pozitív és negatív egységének létrehozásához a száraz levegő számára.

Az emberek és más lények belső csontvázának és szervszerkezeteinek képeinek elkészítésével a sebészek és orvosi kutatók innovatív technikákat készítettek az emberi test megértésére vagy annak kiderítésére, hogy hol vannak golyók a sebesült katonákban.

1896-ra a tudósok már alkalmazták a technikákat annak meghatározására, hogy az anyagtípus melyik röntgenfelvétele áthatolhat. Sajnos a röntgenfelvételeket kibocsátó csövek az ipari felhasználáshoz szükséges nagy mennyiségű feszültség alatt lebomlanak, amíg William D. Coolidge amerikai fizikus-mérnök 1913-as Coolidge-csövei volfrámszálat használtak a pontosabb megjelenítéshez az újonnan született mezőben. radiológia. A hűtőszekrények munkája a röntgencsöveket szilárdan földelni a fizikai kutatások során.

Az ipari munka izzók, fénycsövek és vákuumcsövek gyártásával kezdődött. A gyártóüzemek röntgenfelvételeket, röntgenképeket készítettek acélcsövekről, hogy ellenőrizhessék belső szerkezetüket és összetételüket. Az 1930-as évekre a General Electric Company millió röntgengenerátort gyártott ipari radiográfiához. Az Amerikai Gépészmérnökök Társasága elkezdte a röntgenfelvételt hegesztett nyomástartó edények összeolvasztására.

Röntgen negatív egészségügyi hatások

Tekintettel arra, hogy mekkora mennyiségű energiát tölt be a röntgen sugarai rövid hullámhosszukkal és magas frekvenciájukkal, mivel a társadalom különböző területeken és tudományágakban átfogta a röntgenfelvételeket, a röntgensugárzásnak való kitettség miatt az emberek szemirritációt, szervi elégtelenséget és bőrégést érezhetnek, néha akár ami végtagok és életek elvesztését eredményezi. Az elektromágneses spektrum ezen hullámhosszai megszakíthatják a kémiai kötéseket, amelyek mutációkat okozhatnak a DNS-ben, vagy megváltoztatják a molekuláris szerkezetet vagy a celluláris funkciót az élő szövetekben.

A röntgenfelvételekkel kapcsolatos legújabb kutatások kimutatták, hogy ezek a mutációk és kémiai rendellenességek rákot okozhatnak, és a tudósok becslése szerint az Egyesült Államokban a rák 0,4% -át CT-vizsgálat okozza. Ahogy a röntgenfelvételek népszerűsége nőtt, a kutatók biztonságosnak ítélt röntgen-adagolás javaslatait kezdték javasolni.

Ahogy a társadalom felvette a röntgenhatalom erejét, az orvosok, tudósok és más szakemberek elkezdték aggódni a röntgenfelvételek negatív egészségügyi hatásaival kapcsolatban. Mivel a kutatók megfigyelték, hogy a röntgen áthalad-e a testön, anélkül, hogy külön figyelmet fordított volna arra, hogy a hullámok kifejezetten a test mely területeit célozták meg, kevés okuk volt azt hinni, hogy a röntgen veszélyes lehet.

Röntgenbiztonság

A röntgen-technológiáknak az emberi egészségre gyakorolt ​​negatív következményei ellenére ezek hatásai ellenőrizhetők és fenntarthatók a szükségtelen károsodás vagy kockázat megelőzése érdekében. Míg a rák természetesen ötödik amerikai közül 1-nél szenved, a CT-vizsgálat általában 0,05 százalékkal növeli a rák kockázatát, és egyes kutatók érvelése szerint az alacsony röntgen-expozíció nem járul hozzá még az egyének rák kockázatához sem.

Az emberi test még a beépített módszerekkel helyrehozza az alacsony dózisú röntgen által okozott károkat - az American Journal of Clinical Oncology tanulmánya szerint a röntgenfelvételek egyáltalán nem jelentenek jelentős kockázatot.

A gyermekeknek nagyobb az agyrák és a leukémia kockázata, ha röntgensugárzásnak vannak kitéve. Ezért, amikor egy gyermeknek röntgen vizsgálatot igényelhet, az orvosok és más szakemberek megbeszélik a kockázatokat a gyerekcsalád gondviselőivel, hogy beleegyezést adjanak.

Röntgen a DNS-en

A nagy mennyiségű röntgen kitettség hányást, vérzést, ájulást, hajhullást és a bőr elvesztését eredményezheti. Mutációkat okozhatnak a DNS-ben, mivel éppen annyi energiájuk van, hogy megszakítsák a DNS-molekulák közötti kötelékeket.

Még mindig nehéz meghatározni, hogy a DNS mutációi miatt a röntgen sugárzás vagy a DNS véletlenszerű mutációi miatt bekövetkezik-e. A tudósok megvizsgálhatják a mutációk természetét, beleértve azok valószínűségét, etiológiáját és gyakoriságát, hogy meghatározzák, vajon a DNS kettős szálú törése a röntgen sugárzás eredménye, vagy maga a DNS véletlenszerű mutációja.