Hvordan beregne røntgenenergi

Innhold

• Røntgenbilder som bølger
• Røntgenbilder som partikler
• Bruker røntgenenergi
• Røntgenbilder i praktiske applikasjoner
• Røntgenstråler i medisin
• Røntgenhistorie: Inception
• Røntgenhistorie: Spredt
• Røntgen-negative helseeffekter
• Røntgen-sikkerhet
• Røntgenbilder på DNA

Den generelle formelen for energi til en enkelt foton av en elektromagnetisk bølge som en røntgenstråle er gitt av Plancks ligning: E = hν, i hvilken energi E i Joules er lik produktet av Plancks konstant h (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) og frekvensen ν (uttales "nu") i enheter av s_^-1_. For en gitt frekvens av en elektromagnetisk bølge kan du beregne den tilhørende røntgenenergien for et enkelt foton ved å bruke denne ligningen. Det gjelder alle former for elektromagnetisk stråling inkludert synlig lys, gammastråler og røntgenstråler.

••• Syed Hussain Ather

Plancks ligning avhenger av bølgelignende egenskaper til lys. Hvis du forestiller deg lys som en bølge som vist i diagrammet over, kan du forestille deg at det har en amplitude, frekvens og bølgelengde akkurat som en havbølge eller en lydbølge kan. Amplituden måler høyden på en kam som vist og tilsvarer generelt lysstyrken eller intensiteten til bølgen, og bølgelengden måler den horisontale avstanden som en hel syklus av bølgen dekker. Frekvensen er antall fulle bølgelengder som passerer et gitt punkt hvert sekund.

Røntgenbilder som bølger

••• Syed Hussain Ather

Som en del av det elektromagnetiske spekteret, kan du bestemme frekvensen eller bølgelengden til en røntgenstråle når du kjenner det ene eller det andre. I likhet med Plancks-ligningen, denne frekvensen ν av en elektromagnetisk bølge forholder seg til lysets hastighet c, 3 x 10^-8 m / s, med ligningen c = λν hvor λ er bølgelengden til bølgen. Lysets hastighet forblir konstant i alle situasjoner og eksempler, så denne ligningen viser hvordan frekvensen og bølgelengden til en elektromagnetisk bølge er omvendt proporsjonal med hverandre.

I diagrammet ovenfor er de forskjellige bølgelengdene til forskjellige bølgetyper vist. Røntgenstråler ligger mellom ultrafiolette (UV) og gammastråler i spekteret slik at røntgenegenskaper med bølgelengde og frekvens faller mellom dem.

Kortere bølgelengder indikerer større energi og frekvens som kan utgjøre en risiko for menneskers helse. Solkremer som blokkerer mot UV-stråler og beskyttende strøk og blyskjold som blokkerer røntgenstråler fra å komme inn i huden, demonstrerer denne kraften. Gamma-stråler fra det ytre rom absorberes heldigvis av jordas atmosfære, og forhindrer dem i å skade mennesker.

Endelig kan frekvens være relatert til periode T i sekunder med ligningen T = 1 / f. Disse røntgenegenskapene kan også gjelde for andre former for elektromagnetisk stråling. Spesielt røntgenstråling viser disse bølgelignende egenskapene, men også partikkellignende egenskaper.

Røntgenbilder som partikler

I tillegg til bølgende oppførsel, oppfører røntgenstråler seg som en strøm av partikler som om en enkelt bølge av en røntgenstråle besto av en partikkel etter en annen som kolliderer med gjenstander og ved kollisjon absorberer, reflekterer eller passerer gjennom.

Fordi Plancks-ligningen bruker energi i form av enkeltfotoner, sier forskere at elektromagnetiske lysbølger blir "kvantifisert" i disse "pakker" med energi. De er laget av spesifikke mengder foton som har separate energimengder kalt kvanta. Når atomer absorberer eller avgir fotoner, øker de henholdsvis i energi eller mister den. Denne energien kan ha form av elektromagnetisk stråling.

I 1923 forklarte den amerikanske fysikeren William Duane hvordan røntgenstråler ville spre seg i krystaller gjennom disse partikkellignende atferd. Duane brukte den kvantiserte momentumoverføringen fra den geometriske strukturen til den diffraherende krystall for å forklare hvordan forskjellige røntgenbølger ville oppføre seg når de passerte gjennom materialet.

Røntgenstråler, som andre former for elektromagnetisk stråling, viser denne bølgepartikkeldualiteten som lar forskere beskrive deres oppførsel som om de var både partikler og bølger samtidig. De flyter som bølger med en bølgelengde og frekvens mens de avgir mengder partikler som om de var stråler av partikler.

Bruker røntgenenergi

Plancks ligning, oppkalt etter den tyske fysikeren Maxwell Planck, dikterer at lys oppfører seg på denne bølgelignende måten, og lys viser også partikkellignende egenskaper. Denne bølgepartikkel dualiteten av lys betyr at selv om lysets energi avhenger av dens frekvens, den fremdeles kommer i diskrete mengder energi som er diktert av fotoner.

Når fotonene til røntgenstråler kommer i kontakt med forskjellige materialer, blir noen av dem absorbert av materialet mens andre går gjennom. Røntgenbildene som går gjennom lar leger lage interne bilder av menneskekroppen.

Røntgenbilder i praktiske applikasjoner

Medisin, industri og ulike forskningsområder gjennom fysikk og kjemi bruker røntgenstråler på forskjellige måter. Medisinske bildediagnostiske forskere bruker røntgenstråler for å lage diagnoser for å behandle tilstander i menneskekroppen. Strålebehandling har anvendelser innen kreftbehandling.

Industrielle ingeniører bruker røntgenstråler for å sikre at metaller og andre materialer har de passende egenskapene som er nødvendige for formål som å identifisere sprekker i bygninger eller lage strukturer som tåler store mengder trykk.

Forskning på røntgenstråler ved synkrotronanlegg lar bedrifter produsere vitenskapelige instrumenter som brukes i spektroskopi og avbildning.Disse synkrotronene bruker store magneter for å bøye lys og tvinge fotonene til å ta bølgelignende bane Når røntgenstråler akselereres i sirkulære bevegelser på disse anleggene, blir strålingen deres lineært polarisert for å produsere store mengder kraft. Maskinen omdirigerer deretter røntgenstrålene mot andre akseleratorer og fasiliteter for forskning.

Røntgenstråler i medisin

Bruken av røntgenstråler i medisin skapte helt nye, innovative behandlingsmetoder. Røntgenbilder ble integrert i prosessen med å identifisere symptomer i kroppen gjennom deres ikke-invasive natur som ville la dem diagnostisere uten behov for fysisk å komme inn i kroppen. Røntgenbilder hadde også fordelen av å veilede leger når de satte inn, fjernet eller modifiserte medisinsk utstyr i pasienter.

Det er tre hovedtyper av røntgenbilder som brukes i medisin. Den første, radiografi, avbilder skjelettsystemet med bare små mengder stråling. Den andre, fluoroskopi, lar fagpersoner se den indre tilstanden til en pasient i sanntid. Medisinske forskere har brukt dette for å mate pasienter med barium for å observere virkningen av fordøyelseskanalen og diagnostisere spiserørssykdommer og lidelser.

Til slutt lar computertomografi pasienter legge seg under en ringformet skanner for å lage et tredimensjonalt bilde av pasientens indre organer og strukturer. De tredimensjonale bildene er samlet sammen fra mange tverrsnittsbilder tatt av pasientens kropp.

Røntgenhistorie: Inception

Den tyske mekaniske ingeniøren Wilhelm Conrad Roentgen oppdaget røntgenbilder mens han jobbet med katodestrålerør, en enhet som fyrte elektroner for å produsere bilder. Røret brukte en glaskonvolutt som beskyttet elektrodene i et vakuum inne i røret. Ved å føre elektriske strømmer gjennom røret, observerte Roentgen hvordan forskjellige elektromagnetiske bølger ble sendt ut fra enheten.

Da Roentgen brukte et tykt svart papir for å beskytte røret, fant han ut at røret avga et grønt lysstoffrør, en røntgenstråle, som kunne passere gjennom papiret og gi energi til andre materialer. Han fant ut at når ladede elektroner med en viss mengde energi ville kollidere med materiale, ble røntgenstråler produsert.

Roentgen ga navn til dem som røntgenbilder, håpet å fange deres mystiske, ukjente natur. Roentgen oppdaget at den kunne passere gjennom menneskelig vev, men ikke gjennom bein eller metall. På slutten av 1895 skapte ingeniøren et bilde av hustruhånden sin ved hjelp av røntgenstråler samt et bilde av vekter i en boks, en bemerkelsesverdig bragd i røntgenhistorien.

Røntgenhistorie: Spredt

Snart ble forskere og ingeniører lokket av røntgenstrålingen som den mystiske naturen begynte å utforske mulighetene for røntgenbruk. Roentgen (R) ville bli en nå defunkt enhet for måling av stråleeksponering som ville bli definert som mengden eksponering som er nødvendig for å lage en enkelt positiv og negativ enhet av elektrostatisk ladning for tørr luft.

Å produsere bilder av de indre skjelett- og orgelstrukturene til mennesker og andre skapninger, kirurger og medisinske forskere skapte innovative teknikker for å forstå menneskekroppen eller finne ut hvor kuler befant seg i sårede soldater.

I 1896 brukte forskere allerede teknikkene for å finne ut hvilke typer røntgenstråler som kunne passere. Dessverre ville rørene som produserer røntgenstråler bryte sammen under de store mengder spenning som trengs for industrielle formål til 1913 Coolidge-rørene fra den amerikanske fysiker-ingeniøren William D. Coolidge brukte en wolframfilament for mer nøyaktig visualisering i det nyfødte feltet til radiologi. Coolidges arbeid ville jordet røntgenrør i fysikkforskningen.

Industriarbeid startet med produksjon av lyspærer, lysrør og vakuumrør. Produksjonsanlegg produserte røntgenbilder, røntgenbilder av stålrør for å verifisere deres indre strukturer og sammensetning. Ved 1930-tallet hadde General Electric Company produsert en million røntgengeneratorer for industriell radiografi. American Society of Mechanical Engineers begynte å bruke røntgenstråler for å smelte sammen sveisede trykkbeholdere.

Røntgen-negative helseeffekter

Gitt hvor mye energi røntgenstråler pakker med de korte bølgelengdene og høye frekvensene, da samfunnet omfavnet røntgenstråler i forskjellige felt og fagområder, ville eksponeringen for røntgenbilder få individer til å oppleve øyeirritasjon, organsvikt og hudforbrenning, noen ganger til og med noe som resulterer i tap av lemmer og liv. Disse bølgelengdene til det elektromagnetiske spekteret kan bryte kjemiske bindinger som kan forårsake mutasjoner i DNA eller endringer i molekylstruktur eller cellefunksjon i levende vev.

Nyere forskning på røntgenbilder har vist at disse mutasjonene og kjemiske avvikene kan forårsake kreft, og forskere estimerer at 0,4% av kreftformene i USA er forårsaket av CT-skanninger. Da røntgenstråler økte i popularitet, begynte forskere å anbefale nivåer av røntgendosering som ble ansett for å være sikre.

Da samfunnet omfavnet kraften fra røntgenbilder, begynte leger, forskere og andre fagpersoner å uttrykke bekymringer for de negative helseeffektene av røntgenstråler. Da forskere observerte hvordan røntgenstråler ville passere gjennom kroppen uten å følge nøye med på hvordan bølgene spesifikt målrettet kroppens områder, hadde de liten grunn til å tro at røntgenstråler kunne være farlige.

Røntgen-sikkerhet

Til tross for de negative implikasjonene av røntgenteknologier på menneskers helse, kan effekten av dem kontrolleres og opprettholdes for å forhindre unødvendig skade eller risiko. Mens kreft naturlig rammer 1 av 5 amerikanere, øker en CT-skanning generelt risikoen for kreft med 0,05 prosent, og noen forskere hevder at lav røntgeneksponering kanskje ikke engang bidrar til individers risiko for kreft.

Menneskekroppen har til og med innebygde måter å reparere skader forårsaket av lave doser røntgenbilder, ifølge en studie i American Journal of Clinical Oncology, noe som antyder at røntgenskanning ikke utgjør noen betydelig risiko i det hele tatt.

Barn har større risiko for hjernekreft og leukemi når de blir utsatt for røntgenbilder. Av denne grunn, når et barn kan trenge røntgenundersøkelse, diskuterer leger og andre fagpersoner risikoen med foresatte for barnets familie for å gi samtykke.

Røntgenbilder på DNA

Eksponering for høye mengder røntgenstråler kan føre til oppkast, blødning, besvimelse, tap av hår og tap av hud. De kan forårsake mutasjoner i DNA fordi de har akkurat nok energi til å bryte bindinger mellom DNA-molekyler.

Det er fremdeles vanskelig å bestemme om mutasjoner i DNA på grunn av røntgenstråling eller tilfeldige mutasjoner av DNA i seg selv. Forskere kan studere arten av mutasjoner inkludert deres sannsynlighet, etiologi og hyppighet for å bestemme om dobbeltstrengsbruddene i DNA var et resultat av røntgenstråling eller de tilfeldige mutasjonene av selve DNAet.