Как да изчислим рентгенова енергия

Съдържание

• Рентгенови лъчи като Вълни
• Рентгенови лъчи като частици
• Използване на рентгенова енергия
• Рентгенови лъчи в практически приложения
• Рентгенови лъчи в медицината
• История на рентгенови лъчи: начало
• Рентгенова история: разпространение
• Рентгенови отрицателни ефекти върху здравето
• Рентгенова безопасност
• Рентгенови лъчи върху ДНК

Общата формула за енергия на един фотон на електромагнитна вълна, като рентгенова снимка, е дадена от Уравнение на Планк: Е = hν, в която енергия E в джоул е равен на произведението на константата на Планк з (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) и честотата ν (произнася се "nu") в единици на s_^-1_. За дадена честота на електромагнитна вълна можете да изчислите свързаната рентгенова енергия за един фотон, като използвате това уравнение. Прилага се за всички форми на електромагнитно излъчване, включително видима светлина, гама лъчи и рентгенови лъчи.

••• Syed Hussain Ather

Уравнението на Планк зависи от вълнообразните свойства на светлината. Ако си представите светлината като вълна, както е показано на диаграмата по-горе, можете да си представите, че тя има амплитуда, честота и дължина на вълната, точно както може да има океанска вълна или звукова вълна. Амплитудата измерва височината на един гребен, както е показано и обикновено съответства на яркостта или интензивността на вълната, а дължината на вълната измерва хоризонталното разстояние, което обхваща цял цикъл на вълната. Честотата е броят на пълните дължини на вълната, които преминават през дадена точка всяка секунда.

Рентгенови лъчи като Вълни

••• Syed Hussain Ather

Като част от електромагнитния спектър можете да определите или честотата или дължината на вълната на рентгена, когато знаете едно или друго. Подобно на уравнението на Планк, тази честота ν на електромагнитна вълна се отнася до скоростта на светлината ° С, 3 х 10^-8 m / s, с уравнението с = λν в която λ е дължината на вълната на вълната. Скоростта на светлината остава постоянна във всички ситуации и примери, така че това уравнение показва колко честота и дължина на вълната на електромагнитна вълна са обратно пропорционални една на друга.

На горната диаграма са показани различните дължини на вълните от различни видове вълни. Рентгеновите лъчи лежат между ултравиолетовите (UV) и гама лъчите в спектъра, така че рентгеновите свойства на дължината на вълната и честотата падат между тях.

По-късите дължини на вълната показват по-голяма енергия и честота, които могат да представляват риск за човешкото здраве. Слънцезащитните кремове, които блокират срещу UV лъчи и защитни покрития и щитове от олово, които блокират навлизането на рентгенови лъчи в кожата, демонстрират тази сила. Гама-лъчите от космоса за щастие се абсорбират от атмосферата на Земята, като им пречат да навредят на хората.

И накрая, честотата може да бъде свързана с период т в секунди с уравнението T = 1 / f, Тези рентгенови свойства могат да се прилагат и за други форми на електромагнитно излъчване. По-специално рентгеновото лъчение показва тези вълнообразни свойства, но и такива, подобни на частици.

Рентгенови лъчи като частици

В допълнение към вълнообразно поведение, рентгеновите лъчи се държат като поток от частици, сякаш една вълна от рентгенов лъч се състои от една частица след друга, сблъскваща се с предмети и при сблъскване, абсорбиране, отразяване или преминаване през тях.

Тъй като уравнението на Планк използва енергия под формата на единични фотони, учените казват, че електромагнитните вълни на светлината се "квантуват" в тези "пакети" енергия. Те са направени от специфични количества фотон, които носят дискретни количества енергия, наречени кванти. Тъй като атомите абсорбират или излъчват фотони, те, съответно, увеличават енергията или я губят. Тази енергия може да приеме формата на електромагнитно излъчване.

През 1923 г. американският физик Уилям Дуейн обясни как рентгеновите лъчи ще се дифрактират в кристалите чрез тези поведения, подобни на частици. Дуейн използва квантовия пренос на инерция от геометричната структура на дифрагиращия кристал, за да обясни как биха се държали различни рентгенови вълни при преминаване през материала.

Рентгеновите лъчи, подобно на други форми на електромагнитно излъчване, проявяват тази двойност на вълновите частици, която позволява на учените да опишат поведението си, сякаш са едновременно частици и вълни. Те протичат като вълни с дължина на вълната и честота, като същевременно излъчват количества частици, сякаш са лъчи от частици.

Използване на рентгенова енергия

Наречен на немския физик Максуел Планк, уравнението на Планк диктува, че светлината се държи по този вълнообразен начин, светлината също показва свойства, подобни на частици. Тази двойност на вълната-частица на светлината означава, че макар енергията на светлината да зависи от нейната честота, тя все още идва в дискретни количества енергия, продиктувана от фотоните.

Когато фотоните на рентгеновите лъчи влизат в контакт с различни материали, някои от тях се абсорбират от материала, докато други преминават. Рентгеновите лъчи, които преминават през, позволяват на лекарите да създават вътрешни изображения на човешкото тяло.

Рентгенови лъчи в практически приложения

Медицината, индустрията и различните области на изследване чрез физика и химия използват рентгенови лъчи по различни начини. Изследователите на медицински изображения използват рентгенови лъчи при създаването на диагнози за лечение на състояния в човешкото тяло. Лъчетерапията има приложения при лечение на рак.

Промишлените инженери използват рентгенови лъчи, за да гарантират, че металите и другите материали имат съответните свойства, необходими за цели като идентифициране на пукнатини в сградите или създаване на структури, които могат да издържат на голямо количество налягане.

Изследванията на рентгеновите лъчи в синхротронните съоръжения позволяват на компаниите да произвеждат научни инструменти, използвани в спектроскопията и изображенията.Тези синхротрони използват големи магнити, за да огъват светлина и принуждават фотоните да поемат вълнообразни траектории Когато рентгеновите лъчи се ускоряват с кръгови движения в тези съоръжения, излъчването им става линейно поляризирано, за да произвежда големи количества енергия. След това машината пренасочва рентгеновите лъчи към други ускорители и съоръжения за изследване.

Рентгенови лъчи в медицината

Приложенията на рентгеновите лъчи в медицината създадоха изцяло нови иновативни методи на лечение. Рентгеновите лъчи станаха неразделна част от процеса на идентифициране на симптомите в тялото чрез тяхната неинвазивна природа, която би им позволила да поставят диагноза, без да е необходимо физическото им влизане в тялото. Рентгеновите лъчи също имаха предимството да ръководят лекарите, тъй като те поставят, отстраняват или модифицират медицински изделия в рамките на пациентите.

Има три основни типа рентгенови изображения, използвани в медицината. Първата, рентгенография, изобразява скелетната система само с малко количество радиация. Втората, флуороскопия, позволява на специалистите да виждат вътрешното състояние на пациента в реално време. Медицинските изследователи са използвали това, за да хранят пациентите с барий, за да наблюдават работата на храносмилателния си тракт и да диагностицират хранопровода и заболявания.

И накрая, компютърната томография позволява на пациентите да легнат под скенер във формата на пръстен, за да създадат триизмерен образ на вътрешните органи и структури на пациента. Триизмерните изображения се агрегират заедно от много изображения на напречно сечение, направени от тялото на пациента.

История на рентгенови лъчи: начало

Германският машинен инженер Вилхелм Конрад Рентген откри рентгенови лъчи, докато работеше с катодни лъчи, устройство, което изстрелва електрони за получаване на изображения. В тръбата се използва стъклена обвивка, която защитаваше електродите във вакуум вътре в тръбата. Провеждайки електрически токове през тръбата, Рентген наблюдава как се излъчват различни електромагнитни вълни от устройството.

Когато Рентген използва плътна черна хартия за защита на тръбата, той установява, че тръбата излъчва зелена флуоресцентна светлина, рентгенова снимка, която може да премине през хартията и да зареди с енергия други материали. Той открил, че когато заредените електрони с определено количество енергия ще се сблъскат с материал, се получават рентгенови лъчи.

Назовавайки ги „рентгенови лъчи“, Рентген се надяваше да улови тайнствената им, непозната природа. Рентген откри, че може да премине през човешката тъкан, но не през костта, нито метала. В края на 1895 г. инженерът създава изображение на ръката си с помощта на рентгеновите лъчи, както и изображение на тежести в кутия, забележителен подвиг в рентгеновата история.

Рентгенова история: разпространение

Скоро учените и инженерите се увлекли от тайнствената природа на рентгените, започнали да проучват възможностите за рентгенова употреба. Рентгенът (R) ще се превърне в вече несъществуваща единица за измерване на радиационната експозиция, която ще бъде определена като количеството експозиция, необходимо за извършване на единична положителна и отрицателна единица електростатичен заряд за сух въздух.

Създавайки образи на вътрешните скелетни и органни структури на хора и други същества, хирурзите и медицинските изследователи създадоха иновативни техники за разбиране на човешкото тяло или да разберат къде са разположени куршумите в ранените войници.

До 1896 г. учените вече прилагат техниките, за да разберат през кои видове материя могат да преминат рентгенови лъчи. За съжаление, тръбите, които произвеждат рентгенови лъчи, ще се разпаднат при големите количества напрежение, необходими за промишлени цели, докато тръбите за охлаждане през 1913 г. на американския инженер-физик Уилям Д. Кулидж не използват волфрамова нишка за по-точна визуализация в новороденото поле на радиология. Работата на охладителите би заземила рентгеновите тръби здраво при физическите изследвания.

Промишлената работа започна с производството на електрически крушки, луминесцентни лампи и вакуумни тръби. Производствените предприятия произвеждаха рентгенови снимки, рентгенови снимки на стоманени тръби, за да проверят вътрешните им структури и състав. До 30-те години General Electric Company е произвела един милион рентгенови генератори за индустриална радиография. Американското дружество на механичните инженери започна да използва рентгенови лъчи за обезопасяване на заварени съдове под налягане.

Рентгенови отрицателни ефекти върху здравето

Като се има предвид колко енергийни рентгенови лъчи се опаковат с техните къси дължини на вълната и високи честоти, тъй като обществото възприема рентгенови лъчи в различни области и дисциплини, излагането на рентгенови лъчи ще накара хората да изпитват дразнене на очите, органна недостатъчност и изгаряне на кожата, понякога дори което води до загуба на крайници и живот. Тези дължини на вълната на електромагнитния спектър могат да разрушат химичните връзки, които биха причинили мутации в ДНК или промени в молекулната структура или клетъчната функция в живите тъкани.

По-скорошни изследвания на рентгенови лъчи показват, че тези мутации и химически отклонения могат да причинят рак, а учените изчисляват, че 0,4% от раковите заболявания в САЩ са причинени от CT сканиране. Тъй като рентгеновите лъчи нараснаха с популярност, изследователите започнаха да препоръчват нива на рентгенова доза, които се считат за безопасни.

Когато обществото прие силата на рентгеновите лъчи, лекари, учени и други професионалисти започнаха да изразяват опасенията си от отрицателните ефекти на рентгеновите лъчи върху здравето. Докато изследователите наблюдават как рентгеновите лъчи ще преминават през тялото, без да обръщат голямо внимание на това как вълните конкретно са насочени към участъци от тялото, те са имали малко причини да смятат, че рентгеновите лъчи могат да бъдат опасни.

Рентгенова безопасност

Въпреки отрицателните последици от рентгеновите технологии върху човешкото здраве, техните ефекти могат да бъдат контролирани и поддържани, за да се предотвратят ненужни вреди или риск. Макар че ракът естествено засяга 1 на 5 американци, компютърна томография обикновено повишава риска от рак с .05 процента, а някои изследователи твърдят, че ниската експозиция на рентгенови лъчи дори не може да допринесе за риск от рак на хората.

Човешкото тяло дори има вградени начини за възстановяване на щети, причинени от ниски дози рентгенови лъчи, показва проучване в американския журнал за клинична онкология, което предполага, че рентгеновите сканирания изобщо не представляват значителен риск.

Децата са изложени на по-голям риск от рак на мозъка и левкемия, когато са изложени на рентгенови лъчи. Поради тази причина, когато детето може да изисква рентгеново изследване, лекарите и други специалисти обсъждат рисковете с настойниците на семейството на детето, за да дадат съгласие.

Рентгенови лъчи върху ДНК

Излагането на големи количества рентгенови лъчи може да доведе до повръщане, кървене, припадък, загуба на коса и загуба на кожа. Те могат да причинят мутации в ДНК, защото имат достатъчно енергия, за да разрушат връзките между молекулите на ДНК.

Все още е трудно да се определи дали мутации в ДНК, тъй като се дължат на рентгеново лъчение или случайни мутации на самата ДНК. Учените могат да изучават естеството на мутациите, включително тяхната вероятност, етиология и честота, за да определят дали двуверижните разкъсвания в ДНК са били резултат от рентгеново лъчение или случайни мутации на самата ДНК.