Sådan beregnes røntgenenergi

Indhold

• Røntgenstråler som bølger
• Røntgenstråler som partikler
• Brug af røntgenenergi
• Røntgenbilleder i praktiske applikationer
• Røntgenstråler i medicin
• Røntgenhistorie: Begyndelse
• Røntgenhistorie: Spredt
• Røntgenstråler Negative sundhedseffekter
• Røntgen-sikkerhed
• Røntgenstråler på DNA

Den generelle formel for energi for en enkelt foton af en elektromagnetisk bølge, såsom en røntgenstråle, er givet af Plancks ligning: E = hv, i hvilken energi E i Joules er det samme som produktet af Plancks konstant h (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) og hyppigheden ν (udtales "nu") i enheder af s_^-1_. For en given frekvens af en elektromagnetisk bølge kan du beregne den tilhørende røntgenenergi for en enkelt foton ved hjælp af denne ligning. Det gælder for alle former for elektromagnetisk stråling, inklusive synligt lys, gammastråler og røntgenstråler.

••• Syed Hussain Ather

Plancks ligning afhænger af bølgete egenskaber ved lys. Hvis du forestiller dig lys som en bølge som vist i diagrammet ovenfor, kan du forestille dig det med en amplitude, frekvens og bølgelængde, ligesom en havbølge eller en lydbølge måtte. Amplituden måler højden på en kam som vist og svarer generelt til lysstyrken eller intensiteten af ​​bølgen, og bølgelængden måler den vandrette afstand, som en fuld cyklus af bølgen dækker. Frekvensen er antallet af fulde bølgelængder, der passerer ved et givet punkt hvert sekund.

Røntgenstråler som bølger

••• Syed Hussain Ather

Som en del af det elektromagnetiske spektrum kan du bestemme enten frekvensen eller bølgelængden af ​​en røntgenstråle, når du kender det ene eller det andet. Ligesom Plancks ligning, denne frekvens ν af en elektromagnetisk bølge vedrører lysets hastighed c3 x 10^-8 m / s, med ligningen c = λν hvor λ er bølgelængden for bølgen. Lysets hastighed forbliver konstant i alle situationer og eksempler, så denne ligning viser, hvordan frekvens og bølgelængde af en elektromagnetisk bølge er omvendt proportional med hinanden.

I ovenstående diagram er de forskellige bølgelængder for forskellige typer bølger vist. Røntgenstråler ligger mellem ultraviolet (UV) og gammastråler i spektret, så røntgenstråleegenskaber for bølgelængde og frekvens falder mellem dem.

Kortere bølgelængder indikerer større energi og frekvens, der kan udgøre en risiko for menneskers sundhed. Solcremer, der blokerer mod UV-stråler og beskyttende frakker og blyskærme, der blokerer for røntgenstråler fra at komme ind i huden, demonstrerer denne kraft. Gamma-stråler fra det ydre rum absorberes heldigvis af jordens atmosfære og forhindrer dem i at skade mennesker.

Endelig kan frekvens relateres til periode T i sekunder med ligningen T = 1 / f. Disse røntgenegenskaber kan også gælde for andre former for elektromagnetisk stråling. Især røntgenstråling viser disse bølgelignende egenskaber, men også partikellignende egenskaber.

Røntgenstråler som partikler

Ud over bølgetisk opførsel opfører røntgenstråler sig som en strøm af partikler, som om en enkelt bølge af en røntgenstråle bestod af den ene partikel efter den anden, der kolliderer med genstande og ved kollision absorberer, reflekterer eller passerer igennem.

Fordi Plancks-ligningen bruger energi i form af enkeltfotoner, siger forskere, at elektromagnetiske lysbølger "kvantificeres" i disse "pakker" med energi. De er lavet af specifikke mængder foton, der bærer diskrete mængder energi kaldet quanta. Når atomer absorberer eller udsender fotoner, stiger de henholdsvis i energi eller mister dem. Denne energi kan have form af elektromagnetisk stråling.

I 1923 forklarede den amerikanske fysiker William Duane, hvordan røntgenstråler ville diffrahere i krystaller gennem disse partikelagtige opførsler. Duane brugte den kvantiserede momentumoverførsel fra den geometriske struktur af den diffraherende krystal til at forklare, hvordan forskellige røntgenbølger ville opføre sig, når de passerede gennem materialet.

Røntgenstråler, ligesom andre former for elektromagnetisk stråling, udviser denne bølge-partikeldualitet, der lader forskere beskrive deres opførsel, som om de var både partikler og bølger samtidigt. De flyder som bølger med en bølgelængde og frekvens, mens de udsender mængder af partikler, som om de var stråler af partikler.

Brug af røntgenenergi

Plancks ligning, der er opkaldt efter den tyske fysiker Maxwell Planck, dikterer, at lys opfører sig på denne bølgelignende måde, og lys viser også partikellignende egenskaber. Denne bølgepartikeldualitet af lys betyder, at selvom lysets energi afhænger af dens frekvens, kommer den stadig i diskrete mængder energi, som er dikteret af fotoner.

Når fotonerne fra røntgenstråler kommer i kontakt med forskellige materialer, optages nogle af dem af materialet, mens andre passerer igennem. De røntgenstråler, der passerer, lader læger skabe interne billeder af den menneskelige krop.

Røntgenbilleder i praktiske applikationer

Medicin, industri og forskellige forskningsområder gennem fysik og kemi bruger røntgenstråler på forskellige måder. Medicinske billeddannelsesforskere bruger røntgenstråler til at skabe diagnoser til behandling af tilstande i den menneskelige krop. Strålebehandling har anvendelser inden for kræftbehandling.

Industrielle ingeniører bruger røntgenstråler for at sikre, at metaller og andre materialer har de passende egenskaber, der er nødvendige til formål, såsom at identificere revner i bygninger eller skabe strukturer, der kan modstå store mængder tryk.

Undersøgelser af røntgenstråler ved synchrotronfaciliteter lader virksomhederne fremstille videnskabelige instrumenter, der anvendes til spektroskopi og billeddannelse.Disse synkrotroner bruger store magneter til at bøje lys og tvinge fotonerne til at tage bølgelignende bane Når røntgenstråler accelereres i cirkulære bevægelser på disse faciliteter, bliver deres stråling lineært polariseret til at producere store mængder strøm. Maskinen omdirigerer derefter røntgenstrålene mod andre acceleratorer og faciliteter til forskning.

Røntgenstråler i medicin

Anvendelsen af ​​røntgenstråler i medicinen skabte helt nye, innovative behandlingsmetoder. Røntgenstråler blev integreret i processen med at identificere symptomer i kroppen gennem deres ikke-invasive natur, som ville lade dem diagnosticere uden behov for fysisk at komme ind i kroppen. Røntgenstråler havde også fordelen ved at lede læger, da de indsatte, fjernede eller modificerede medicinske apparater inden for patienter.

Der er tre hovedtyper af røntgenbilleder, der bruges i medicinen. Den første, radiografi, viser knoglesystemet med kun små mængder af stråling. Den anden, fluoroskopi, lader fagfolk se den interne tilstand af en patient i realtid. Medicinske forskere har brugt dette til at fodre patienter med barium til at observere arbejdet i deres fordøjelseskanal og diagnosticere spiserørssygdomme og lidelser.

Endelig lader computertomografi patienterne lægge sig under en ringformet scanner for at skabe et tredimensionelt billede af patientens indre organer og strukturer. De tredimensionelle billeder er samlet sammen fra mange tværsnitsbilleder taget af patientens krop.

Røntgenhistorie: Begyndelse

Den tyske mekaniske ingeniør Wilhelm Conrad Roentgen opdagede røntgenstråler, mens han arbejdede med katodestrålerør, en enhed der fyrede elektroner for at producere billeder. Røret brugte en glaskonvolut, der beskyttede elektroderne i et vakuum inde i røret. Ved at føre elektriske strømme gennem røret observerede Roentgen, hvordan forskellige elektromagnetiske bølger blev udsendt fra enheden.

Da Roentgen brugte et tykt sort papir til at beskytte røret, fandt han, at røret udsendte et grønt fluorescerende lys, en røntgenstråle, der kunne passere gennem papiret og give energi til andre materialer. Han fandt, at når ladede elektroner med en bestemt mængde energi ville kollidere med materiale, blev der produceret røntgenstråler.

Ved at navngive dem "røntgenstråler" håbede Roentgen at fange deres mystiske, ukendte natur. Roentgen opdagede, at det kunne passere gennem menneskeligt væv, men ikke gennem knogler eller metal. I slutningen af ​​1895 skabte ingeniøren et billede af sin kones hånd ved hjælp af røntgenstråler samt et billede af vægte i en kasse, et bemærkelsesværdigt træk i røntgenhistorien.

Røntgenhistorie: Spredt

Snart blev forskere og ingeniører lokkede af røntgenstrålens mystiske natur begyndte at udforske mulighederne for røntgenbrug. Roentgen (R) ville blive en nu defunkt enhed til måling af stråleeksponering, der ville blive defineret som den mængde eksponering, der er nødvendig for at fremstille en enkelt positiv og negativ enhed af elektrostatisk ladning for tør luft.

Produktion af billeder af de indre skelet- og organstrukturer hos mennesker og andre væsener, kirurger og medicinske forskere skabte innovative teknikker til at forstå menneskekroppen eller finde ud af, hvor kugler var placeret i sårede soldater.

I 1896 anvendte forskere allerede teknikkerne til at finde ud af, hvilke typer stof-røntgenstråler der kunne passere. Desværre ville rørene, der producerer røntgenstråler, nedbryde under de store spændingsmængder, der er nødvendige til industrielle formål, indtil Coolidge-rørene fra den amerikanske fysiker-ingeniør William D. Coolidge i 1913 anvendte en wolframfilament til en mere nøjagtig visualisering i det nyfødte felt af radiologi. Coolidges arbejde ville jord røntgenrør fast i fysikforskning.

Industrielt arbejde startede med produktion af lyspærer, lysstofrør og vakuumrør. Fremstillingsanlæg producerede røntgenbilleder, røntgenbilleder af stålrør for at verificere deres indre strukturer og sammensætning. I 1930'erne havde General Electric Company produceret en million røntgengeneratorer til industriel radiografi. American Society of Mechanical Engineers begyndte at bruge røntgenstråler til fusionering af svejste trykbeholdere sammen.

Røntgenstråler Negative sundhedseffekter

I betragtning af hvor meget energi røntgenstråler pakker med deres korte bølgelængder og høje frekvenser, da samfundet omfattede røntgenstråler i forskellige felter og discipliner, ville eksponeringen for røntgenstråler få individer til at opleve øjenirritation, organsvigt og hudforbrændinger, nogle gange endda hvilket resulterer i tab af lemmer og liv. Disse bølgelængder af det elektromagnetiske spektrum kan bryde kemiske bindinger, der ville forårsage mutationer i DNA eller ændringer i molekylstruktur eller cellulær funktion i levende væv.

Nyere forskning på røntgenstråler har vist, at disse mutationer og kemiske afvigelser kan forårsage kræft, og forskere vurderer, at 0,4% af kræftformer i USA er forårsaget af CT-scanninger. Da røntgenstråler steg i popularitet, begyndte forskere at anbefale niveauer af røntgendosering, der blev anset for at være sikre.

Da samfundet omfattede røntgenstrålerne, begyndte læger, videnskabsmænd og andre fagfolk at udtrykke deres bekymring over de negative sundhedseffekter af røntgenstråler. Da forskere observerede, hvordan røntgenstråler ville passere gennem kroppen uden at være nøje opmærksomme på, hvordan bølgerne specifikt målrettede områder af kroppen, havde de ingen grund til at tro, at røntgenstråler kunne være farlige.

Røntgen-sikkerhed

På trods af røntgenteknologiens negative følger for menneskers sundhed kan deres virkning kontrolleres og opretholdes for at forhindre unødvendig skade eller risiko. Mens kræft naturligt rammer 1 ud af 5 amerikanere, øger en CT-scanning generelt risikoen for kræft med 0,05 procent, og nogle forskere hævder, at lav røntgeneksponering muligvis ikke engang bidrager til individets risiko for kræft.

Den menneskelige krop har endda indbyggede måder til at reparere skader forårsaget af lave doser af røntgenstråler, ifølge en undersøgelse i American Journal of Clinical Oncology, hvilket antyder, at røntgenscanninger overhovedet ikke udgør nogen betydelig risiko.

Børn har større risiko for hjernekræft og leukæmi, når de udsættes for røntgenstråler. Af denne grund, når et barn kan kræve en røntgenscanning, diskuterer læger og andre fagfolk risikoen med værger for barnets familie for at give samtykke.

Røntgenstråler på DNA

Eksponering for høje mængder røntgenstråler kan resultere i opkast, blødning, besvimelse, hårtab og hudtab. De kan forårsage mutationer i DNA, fordi de har lige nok energi til at bryde bindinger mellem DNA-molekyler.

Det er stadig vanskeligt at bestemme, om mutationer i DNA som følge af røntgenstråling eller tilfældige mutationer af DNA i sig selv. Forskere kan undersøge arten af ​​mutationer, herunder deres sandsynlighed, etiologi og hyppighed for at bestemme, om dobbeltstrengsbrud i DNA var resultatet af røntgenstråling eller tilfældige DNA-mutationer i sig selv.