Kuinka laskea röntgenenergia

Sisältö

• Röntgenkuvat kuin aallot
• Röntgensäteet hiukkasina
• Röntgenenergian käyttäminen
• Röntgenkuvat käytännöllisissä sovelluksissa
• Röntgenkuvat lääketieteessä
• Röntgenhistoria: Alku
• Röntgenhistoria: leviäminen
• Röntgen-negatiiviset terveysvaikutukset
• Röntgenturvallisuus
• Röntgenkuvat DNA: lla

Sähkömagneettisen aallon yksittäisen fotonin, kuten röntgenkuvauksen, yleinen energiakaava on annettu kaavalla Plancks-yhtälö: E = hν, jossa energiaa E Jouleissa on yhtä suuri kuin Plancksin vakiotulos h (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) ja taajuus ν (lausutaan "nu") yksikköinä s_^-1_. Tietylle sähkömagneettisen aallon taajuudelle voit laskea liittyvän röntgenenergian yksittäiselle fotonille käyttämällä tätä yhtälöä. Sitä sovelletaan kaikkiin sähkömagneettisen säteilyn muotoihin, mukaan lukien näkyvä valo, gammasäteet ja röntgensäteet.

••• Syed Hussain Ather

Plancks-yhtälö riippuu valon aaltomaisista ominaisuuksista. Jos kuvittelet valoa aallona, ​​kuten yllä olevassa kaaviossa esitetään, voit kuvitella sen olevan amplitudi, taajuus ja aallonpituus aivan kuin meriaallon tai ääniaallon mahdollisesti. Amplitudi mittaa yhden harjanteen korkeuden esitetyllä tavalla ja vastaa yleensä aallon kirkkautta tai voimakkuutta, ja aallonpituus mittaa vaakatason etäisyyden, jonka koko aallon sykli kattaa. Taajuus on täyden aallonpituuden lukumäärä, joka ohittaa tietyn pisteen joka sekunti.

Röntgenkuvat kuin aallot

••• Syed Hussain Ather

Osana sähkömagneettista spektriä voit määrittää joko röntgentaajuuden tai aallonpituuden, kun tunnet yhden tai toisen. Samanlainen kuin Plancks-yhtälö, tämä taajuus ν sähkömagneettisen aallon suhde valon nopeuteen C, 3 x 10^-8 m / s, yhtälöllä c = λν jossa λ on aallon aallonpituus. Valon nopeus pysyy vakiona kaikissa tilanteissa ja esimerkeissä, joten tämä yhtälö osoittaa kuinka sähkömagneettisen aallon taajuus ja aallonpituus ovat käänteisesti verrannollisia toisiinsa.

Yllä olevassa kaaviossa esitetään erityyppisten aaltojen eri aallonpituudet. Röntgensäteet ovat ultravioletti- (UV) ja gammasäteiden välillä spektrissä, joten aallonpituuden ja taajuuden röntgensäteilyominaisuudet putoavat niiden välillä.

Lyhyemmät aallonpituudet osoittavat suurempaa energiaa ja taajuutta, mikä voi aiheuttaa riskejä ihmisten terveydelle. UV-säteilyä estävät aurinkovoiteet, suojaavat päällysteet ja lyijysuojukset, jotka estävät röntgensäteiden pääsyn ihoon, osoittavat tämän voiman. Maapallon ilmapiiri imee onneksi ulkoavaruuden gammasäteet, estäen niitä vahingoittamasta ihmisiä.

Lopuksi taajuus voidaan liittää ajanjaksoon T sekunneissa yhtälön kanssa T = 1 / f. Nämä röntgenominaisuudet voivat koskea myös muita sähkömagneettisen säteilyn muotoja. Erityisesti röntgensäteily osoittaa nämä aaltomaiset ominaisuudet, mutta myös hiukkasmaiset ominaisuudet.

Röntgensäteet hiukkasina

Aallonmuotoisen käyttäytymisen lisäksi röntgensäteet käyttäytyvät hiukkasvirran tavoin kuin röntgenkuvauksen yksi aalto koostuisi yhdestä hiukkasesta toisensa jälkeen törmäävän esineiden kanssa ja törmäyksessä absorboisi, heijastaisi tai kulkisi läpi.

Koska Plancksin yhtälö käyttää energiaa yksittäisten fotonien muodossa, tutkijoiden mukaan valon sähkömagneettiset aallot "kvantisoidaan" näihin energian "paketteihin". Ne on valmistettu erityisistä määristä fotonia, jotka kuljettavat erillisiä energiamääriä, joita kutsutaan kvanteiksi. Kun atomit absorboivat tai emittoivat fotoneja, ne vastaavasti lisäävät energiaa tai kadottavat sen. Tämä energia voi olla sähkömagneettisen säteilyn muodossa.

Vuonna 1923 amerikkalainen fyysikko William Duane selitti kuinka röntgensäteet diffraktioivat kiteissä näiden hiukkasmaisten käyttäytymisten kautta. Duane käytti kvantisoitua momentinsiirtoa diffraktoivan kiteen geometrisestä rakenteesta selittääkseen kuinka erilaiset röntgenaalot käyttäytyisivät kuljettaessaan materiaalia.

Röntgensäteet, kuten muutkin sähkömagneettisen säteilyn muodot, osoittavat tämän aalto-hiukkasten kaksinaisuuden, jonka avulla tutkijat voivat kuvata käyttäytymistään ikään kuin ne olisivat sekä hiukkasia että aaltoja samanaikaisesti. Ne virtaavat kuin aallot, joiden aallonpituus ja taajuus emittoivat samalla hiukkasia kuin ikään kuin hiukkasten säteet.

Röntgenenergian käyttäminen

Saksalainen fyysikko Maxwell Planck nimeltään Plancksin yhtälö sanoo, että valo käyttäytyy tällä aaltomaisella tavalla, ja valolla on myös hiukkasmaisia ​​ominaisuuksia. Tämä valon aaltohiukkasten kaksinaisuus tarkoittaa, että vaikka valon energia riippuu sen taajuudesta, se tulee silti fotonien sanelemana erillisenä energian määränä.

Kun röntgensäteiden fotonit joutuvat kosketuksiin eri materiaalien kanssa, osa niistä absorboi materiaalin, kun taas toiset kulkevat läpi. Läpäisevien röntgenkuvien avulla lääkärit voivat luoda sisäisiä kuvia ihmisen kehosta.

Röntgenkuvat käytännöllisissä sovelluksissa

Lääketiede, teollisuus ja erilaiset fysiikan ja kemian tutkimusalueet käyttävät röntgenkuvat eri tavoin. Lääketieteellisen kuvantamisen tutkijat käyttävät röntgensäteitä diagnoosien luomiseen ihmiskehon sairauksien hoitamiseksi. Sädehoidolla on sovelluksia syövän hoidossa.

Teollisuusinsinöörit käyttävät röntgensäteitä varmistaakseen, että metalleilla ja muilla materiaaleilla on asianmukaiset ominaisuudet, joita tarvitaan esimerkiksi rakennusten halkeamien tunnistamiseen tai suurten paineiden kestävien rakenteiden luomiseen.

Röntgensäteiden tutkimus synkrotronitiloissa antaa yrityksille mahdollisuuden valmistaa tieteellisiä instrumentteja, joita käytetään spektroskopiassa ja kuvantamisessa.Nämä synkrotronit käyttävät suuria magneetteja valon taivuttamiseen ja pakottavat fotonit ottamaan aallonmuotoisen suuntauksen. Kun röntgenkuvat kiihdytetään ympyräliikkeillä näissä tiloissa, niiden säteily muuttuu lineaarisesti polarisoituneena tuottamaan suuria määriä voimaa. Tämän jälkeen kone ohjaa röntgenkuvat kohti muita kiihdyttimiä ja laitteita tutkimusta varten.

Röntgenkuvat lääketieteessä

Röntgensäteiden sovellukset lääketieteessä loivat täysin uusia, innovatiivisia hoitomenetelmiä. Röntgensäteistä tuli erottamaton kehoon liittyvien oireiden tunnistamisprosessi niiden epäinvasiivisen luonteen kautta, joka antaisi heidän diagnosoida ilman tarvetta tulla fyysisesti ruumiiseen. Röntgenkuvien etuna oli myös ohjaaminen lääkäreille, kun ne asennettiin, poistettiin tai muokattiin lääkinnällisiä laitteita potilaiden sisään.

Lääketieteessä käytetään kolmea pääasiallista röntgenkuvaustyyppiä. Ensimmäinen, radiografia, kuvaa luujärjestelmää vain pienillä säteilymäärillä. Toinen, fluoroskopia, antaa ammattilaisille mahdollisuuden nähdä potilaan sisäinen tila reaaliajassa. Lääketieteelliset tutkijat ovat käyttäneet tätä ruokkiakseen potilaita bariumia seuraamaan ruoansulatuskanavansa toimintaa ja diagnosoimaan ruokatorven sairauksia ja häiriöitä.

Lopuksi, tietokonepohjainen tomografia antaa potilaille makuulla rengasmaisen skannerin alla luoda kolmiulotteisen kuvan potilaan sisäelimistä ja rakenteista. Kolmiulotteiset kuvat yhdistetään monista potilaan kehosta otetuista poikkileikkauskuvista.

Röntgenhistoria: Alku

Saksalainen mekaniikkainsinööri Wilhelm Conrad Roentgen löysi röntgenkuvat työskennellessään katodisädeputkien kanssa, laite, joka ampui elektronia kuvien tuottamiseksi. Putkessa käytettiin lasikuorea, joka suojasi elektrodit tyhjiössä putken sisällä. Roentgen havaitsi, kuinka erilaisia ​​sähkömagneettisia aaltoja säteili laitteesta johtamalla sähkövirtoja putken läpi.

Kun Roentgen käytti paksua mustaa paperia putken suojaamiseen, hän huomasi, että putki säteili vihreää fluoresoivaa valoa, röntgenkuvausta, joka voi kulkea paperin läpi ja antaa energiaa muille materiaaleille. Hän havaitsi, että kun tietyn määrän energiaa varautuneet elektronit törmäisivät materiaaliin, tuotettiin röntgensäteitä.

Nimettämällä heidät "röntgenkuvauksiksi", Roentgen toivoi kaapata heidän salaperäisen, tuntemattoman luonteensa. Roentgen havaitsi, että se voi kulkea ihmisen kudoksen läpi, mutta ei luun eikä metallin läpi. Vuoden 1895 lopulla insinööri loi kuvan vaimon kädestään käyttämällä röntgenkuvia sekä kuvan painoista laatikossa, mikä on merkittävä röntgenhistorian historia.

Röntgenhistoria: leviäminen

Pian tutkijat ja insinöörit houkuttelivat röntgenkuvat ja salaperäinen luonto aloitti tutkimuksen mahdollisuuksista röntgenkuvaukseen. Rentgengen (R) muuttuisi nyt vanhentuneeksi säteilyaltistuksen mittausyksiköksi, joka määritettäisiin altistumisen määrällä, joka tarvitaan yksittäisen positiivisen ja negatiivisen yksikön muodostamiseen sähköstaattisesta varauksesta kuivaan ilmaan.

Tuottamalla kuvia ihmisten ja muiden olentojen sisäisistä luurankoista ja elinrakenteista, kirurgit ja lääketieteelliset tutkijat loivat innovatiivisia tekniikoita ymmärtää ihmiskehoa tai selvittää, missä luodit sijaitsevat haavoittuneissa sotilaissa.

Vuoteen 1896 mennessä tutkijat olivat jo käyttäneet tekniikoita selvittääkseen, minkä tyyppiset ainesröntgenkuvat voivat kulkea. Valitettavasti röntgensäteitä tuottavat putket hajoavat suurissa jännitteissä, joita tarvitaan teollisiin tarkoituksiin, kunnes amerikkalaisen fyysikon-insinöörin William D. Coolidgen 1913 Coolidge-putket käyttivät volframilankaa tarkempaan visualisointiin vasta syntyneellä kentällä. radiologia. Coolidges-työ maadoittaisi röntgenputket tiukasti fysiikan tutkimuksessa.

Teollisuustyö alkoi hehkulamppujen, loistelamppujen ja tyhjiöputkien tuotannolla. Tuotantolaitokset tuottivat teräsputkista radiografioita, röntgenkuvia niiden sisäisten rakenteiden ja koostumuksen tarkistamiseksi. 1930-luvulle mennessä General Electric Company oli tuottanut miljoonan röntgengeneraattorin teolliseen radiografiaan. Amerikkalainen mekaanisten insinöörien yhdistys aloitti röntgenkuvien käytön hitsattujen paineastioiden sulauttamiseksi yhteen.

Röntgen-negatiiviset terveysvaikutukset

Kun otetaan huomioon, kuinka paljon energiaa röntgenkuvat säteilevät lyhyillä aallonpituuksillaan ja korkeilla taajuuksillaan, koska yhteiskunta omaksui röntgenkuvat eri aloilla ja tieteenaloilla, altistuminen röntgensäteille aiheuttaisi ihmisille silmien ärsytystä, elinvaurioita ja ihon palovammoja, joskus jopa seurauksena raajojen ja ihmishenkien menetykset. Nämä sähkömagneettisen spektrin aallonpituudet voisivat hajottaa kemiallisia sidoksia, jotka aiheuttavat mutaatioita DNA: ssa tai muutoksia molekyylirakenteessa tai solun toiminnassa elävissä kudoksissa.

Uudemmat röntgenkuvatutkimukset ovat osoittaneet, että nämä mutaatiot ja kemialliset häiriöt voivat aiheuttaa syöpää, ja tutkijoiden arvioiden mukaan Yhdysvaltojen syöpistä 0,4% johtuu CT-tutkimuksista. Röntgenkuvien suosion kasvaessa tutkijat alkoivat suositella turvallisiksi katsottuja röntgenannostuksen tasoja.

Kun yhteiskunta omaksui röntgenkuvien voiman, lääkärit, tutkijat ja muut ammattilaiset alkoivat ilmaista huolensa röntgenkuvien kielteisistä terveysvaikutuksista. Tutkijoiden havaittua, kuinka röntgensäteet kulkevat kehon läpi kiinnittämättä tarkkaavaista huomiota siihen, kuinka aallot kohdistuivat erityisesti kehon alueisiin, heillä ei ollut juurikaan syytä uskoa röntgensäteiden olevan vaarallisia.

Röntgenturvallisuus

Huolimatta röntgentekniikan kielteisistä vaikutuksista ihmisten terveyteen, niiden vaikutuksia voidaan hallita ja ylläpitää tarpeettomien haittojen tai riskien estämiseksi. Vaikka syöpä esiintyy luonnollisesti yhdellä viidestä amerikkalaisesta, CT-skannaus nostaa syöpäriskin yleensä 0,05 prosentilla, ja jotkut tutkijat väittävät, että pieni röntgensäteilyaltistus ei ehkä edes edistä yksilöiden syöpäriskiä.

Ihmiskehossa on jopa sisäänrakennettuja tapoja korjata vaurioita, jotka johtuvat pienistä röntgensäteilyannoksista, American Journal of Clinical Oncology -yrityksen tutkimuksen mukaan, jonka mukaan röntgenkuvauksella ei ole mitään merkittävää riskiä.

Lapsilla on suurempi aivosyövän ja leukemian riski, kun ne altistetaan röntgensäteille. Tästä syystä, kun lapsi voi tarvita röntgenkuvausta, lääkärit ja muut ammattilaiset keskustelevat riskeistä lasten perheen huoltajien kanssa antamaan suostumus.

Röntgenkuvat DNA: lla

Altistuminen suurille määrille röntgensäteitä voi johtaa oksenteluun, verenvuotoon, pyörtymiseen, hiusten menetykseen ja ihon menetykseen. Ne voivat aiheuttaa mutaatioita DNA: ssa, koska heillä on juuri tarpeeksi energiaa katkaistakseen sidokset DNA-molekyylien välillä.

Sen edelleen vaikea määrittää, johtuvatko mutaatiot DNA: sta johtuen röntgensäteilystä vai itse DNA: n satunnaismuutoksista. Tutkijat voivat tutkia mutaatioiden luonnetta mukaan lukien niiden todennäköisyys, etiologia ja esiintymistiheys määrittääkseen, johtuivatko kaksisäikeiset DNA-katkennukset röntgensäteilystä vai itse DNA: n sattumanvaraisista mutaatioista.