Cum se calculează energia cu raze X

Conţinut

• Raze X ca valuri
• Razele X ca particule
• Utilizarea energiei cu raze X
• Razele X în aplicații practice
• Razele X în Medicină
• Istoria radiografiei: Incepție
• Istoria radiografiei: Spread
• Efecte negative asupra radiografiei asupra sănătății
• Securitate cu raze X
• Razele X pe ADN

Formula generală de energie a unui foton unic de undă electromagnetică, cum ar fi o rază X, este dată de Ecuația plancanelor: E = hν, în care energie E în Joules este egal cu produsul constantei Plancks h (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) și frecvența ν (pronunțat "nu") în unități din s_^-1_. Pentru o frecvență dată de o undă electromagnetică, puteți calcula energia razelor X asociate pentru un singur foton folosind această ecuație. Se aplică tuturor formelor de radiații electromagnetice, inclusiv a luminii vizibile, a razelor gamma și a razelor X.

••• Syed Hussain Ather

Ecuația planșelor depinde de proprietățile de undă ale luminii. Dacă vă imaginați lumina ca o undă așa cum este arătat în diagrama de mai sus, vă puteți imagina aceasta având o amplitudine, frecvență și lungime de undă la fel ca o undă oceanică sau o undă sonoră. Amplitudinea măsoară înălțimea unei creste așa cum este arătat și corespunde, în general, luminozității sau intensității undei, iar lungimea de undă măsoară distanța orizontală pe care o acoperă un ciclu complet al undei. Frecvența este numărul lungimilor de undă complete care trec cu un punct dat în fiecare secundă.

Raze X ca valuri

••• Syed Hussain Ather

Ca parte a spectrului electromagnetic, puteți determina fie frecvența, fie lungimea de undă a unei radiografii atunci când cunoașteți una sau alta. Similar cu ecuația Plancks, această frecvență ν a unei unde electromagnetice se raportează la viteza luminii c, 3 x 10^-8 m / s, cu ecuația c = λν în care λ este lungimea de undă a undei. Viteza luminii rămâne constantă în toate situațiile și exemplele, astfel încât această ecuație demonstrează modul în care frecvența și lungimea de undă a unei unde electromagnetice sunt invers proporționale unele cu altele.

În diagrama de mai sus, sunt prezentate diferitele lungimi de undă ale diferitelor tipuri de unde. Razele X se află între razele ultraviolete (UV) și gamma în spectru, astfel încât proprietățile razelor X ale lungimii de undă și frecvenței se încadrează între ele.

Lungimi de undă mai scurte indică o energie și o frecvență mai mari care pot prezenta riscuri pentru sănătatea umană. Ecranele solare care se blochează împotriva razelor UV și paltoanele de protecție și scuturile de plumb care împiedică razele X să intre în piele demonstrează această putere. Razele gamma din spațiul exterior sunt absorbite din fericire de atmosfera Pământului, împiedicându-le să facă rău oamenilor.

În cele din urmă, frecvența poate fi legată de perioadă T în câteva secunde cu ecuația T = 1 / f. Aceste proprietăți ale radiografiei se pot aplica și altor forme de radiații electromagnetice. Radiația cu raze X arată în special aceste proprietăți de undă, dar și cele asemănătoare particulelor.

Razele X ca particule

În plus față de comportamentele în undă, razele X se comportă ca un flux de particule ca și cum o singură undă a unei raze X constă dintr-o particulă după alta, ciocnind obiecte și, după coliziune, absorb, reflectă sau trece.

Deoarece ecuația Plancks utilizează energia sub forma unor fotoni unici, oamenii de știință spun că undele electromagnetice de lumină sunt „cuantificate” în aceste „pachete” de energie. Sunt fabricate din cantități specifice de fotoni care transportă cantități discrete de energie numite quanta. Pe măsură ce atomii absorb sau emit fotoni, aceștia cresc, în energie, sau îl pierd. Această energie poate lua forma radiațiilor electromagnetice.

În 1923, fizicianul american William Duane a explicat modul în care razele X se vor difuza în cristale prin aceste comportamente asemănătoare particulelor. Duane a utilizat transferul de moment cuantificat din structura geometrică a cristalului de difracție pentru a explica modul în care se vor comporta diferite unde de raze X la trecerea prin material.

Razele X, ca și alte forme de radiație electromagnetică, prezintă această dualitate undă-particule, care permite oamenilor de știință să descrie comportamentul lor ca și cum ar fi atât particule cât și unde simultan. Ele curg ca undele cu o lungime de undă și frecvență, în timp ce emit cantități de particule ca și cum ar fi fascicule de particule.

Utilizarea energiei cu raze X

Numită după fizicianul german Maxwell Planck, ecuația Plancks dictează că lumina se comportă în acest mod de undă, lumina prezintă, de asemenea, proprietăți asemănătoare particulelor. Această dualitate undă-particule de lumină înseamnă că, deși energia luminii depinde de frecvența sa, ea totuși provine în cantități discrete de energie dictată de fotoni.

Când fotonii razelor X intră în contact cu diferite materiale, unele dintre ele sunt absorbite de material în timp ce altele trec. Razele X care trec, permit medicilor să creeze imagini interne ale corpului uman.

Razele X în aplicații practice

Medicina, industria și diverse domenii de cercetare prin fizică și chimie utilizează raze X în moduri diferite. Cercetătorii de imagistică medicală folosesc radiografii pentru a crea diagnostice pentru a trata afecțiunile din corpul uman. Radioterapia are aplicații în tratamentul cancerului.

Inginerii industriali folosesc raze X pentru a se asigura că metalele și alte materiale au proprietățile corespunzătoare necesare în scopuri precum identificarea fisurilor din clădiri sau crearea de structuri care pot rezista la presiuni mari.

Cercetarea cu raze X la instalațiile de sincrotron permite companiilor să fabrice instrumente științifice utilizate în spectroscopie și imagistică.Acești sincrotroni folosesc magneți mari pentru a îndoi lumina și forța fotonii să ia traiectorii de undă Când razele X sunt accelerate în mișcări circulare la aceste instalații, radiațiile lor devin polarizate liniar pentru a produce cantități mari de putere. Apoi, aparatul redirecționează razele X către alte acceleratoare și facilități pentru cercetare.

Razele X în Medicină

Aplicațiile razelor X în medicină au creat metode de tratament complet inovatoare și inovatoare. Razele X au devenit parte integrantă a procesului de identificare a simptomelor în interiorul corpului prin natura lor neinvazivă, care le-ar permite să diagnostice fără a fi nevoie să intre fizic în corp. Razele X aveau de asemenea avantajul de a ghida medicii pe măsură ce au introdus, îndepărtat sau modificat dispozitive medicale la pacienți.

Există trei tipuri principale de imagistica cu raze X utilizate în medicină. Primul, radiografie, imaginează sistemul scheletului cu doar cantități mici de radiații. A doua, fluoroscopie, permite profesioniștilor să vizualizeze în timp real starea internă a unui pacient. Cercetătorii medicali au folosit acest lucru pentru a hrăni pacienții bariului pentru a observa funcționarea tractului digestiv și pentru a diagnostica boli și afecțiuni esofagiene.

În cele din urmă, tomografia computerizată permite pacienților să se întindă sub un scaner în formă de inel pentru a crea o imagine tridimensională a organelor și structurilor interne ale pacienților. Imaginile tridimensionale sunt agregate împreună din multe imagini în secțiune transversală luate din corpul pacienților.

Istoria radiografiei: Incepție

Inginerul mecanic german Wilhelm Conrad Roentgen a descoperit razele X în timp ce lucra cu tuburi cu raze catodice, un dispozitiv care a tras electroni pentru a produce imagini. Tubul a folosit un plic de sticlă care proteja electrozii într-un vid în interiorul tubului. Folosind curenții electrici prin tub, Roentgen a observat cum diferite unde electromagnetice erau emise de pe dispozitiv.

Când Roentgen a folosit o hârtie neagră groasă pentru a proteja tubul, a descoperit că tubul emite o lumină fluorescentă verde, o rază X, care putea trece prin hârtie și să energizeze alte materiale. El a descoperit că, atunci când electronii încărcați cu o anumită cantitate de energie se vor ciocni cu materialul, s-au produs raze X.

Numindu-le „raze X”, Roentgen spera să surprindă natura lor misterioasă, necunoscută. Roentgen a descoperit că poate trece prin țesutul uman, dar nu prin os sau prin metal. La sfârșitul anului 1895, inginerul a creat o imagine a mâinii sale de soție folosind razele X, precum și o imagine a greutăților dintr-o cutie, un obiect notabil în istoria radiografiei.

Istoria radiografiei: Spread

Curând, oamenii de știință și inginerii s-au atenuat de natura misterioasă a razelor X au început să exploreze posibilitățile de utilizare a razelor X. Roentgen (R) ar deveni o unitate defunctă acum de măsurare a expunerii la radiații, care ar fi definită ca cantitatea de expunere necesară pentru a face o singură unitate pozitivă și negativă de încărcare electrostatică pentru aerul uscat.

Producând imagini ale structurilor interne ale scheletului și organelor oamenilor și altor creaturi, chirurgii și cercetătorii medicali au creat tehnici inovatoare de înțelegere a corpului uman sau de a descoperi unde au fost localizate gloanțele soldaților răniți.

Până în 1896, oamenii de știință aplicau deja tehnicile pentru a-și da seama prin ce tipuri de raze X de materie ar putea trece. Din păcate, tuburile care produc raze X s-ar descompune sub cantitățile mari de tensiune necesare în scopuri industriale până în 1913, tuburile Coolidge ale fizicianului-inginer american William D. Coolidge au folosit un filament de tungsten pentru o vizualizare mai precisă în domeniul nou-născut al radiologie. Lucrările la instalațiile de răcire ar pune la sol ferm tuburile cu raze X în cercetarea fizică.

Lucrările industriale au decolat odată cu producerea de becuri, lămpi fluorescente și tuburi de vid. Instalațiile de fabricație au produs radiografii, imagini cu raze X, din tuburi de oțel pentru a verifica structurile interne și compoziția lor. Până în anii 1930 General Electric Company producea un milion de generatoare de raze X pentru radiografie industrială. Societatea Americană de Ingineri Mecanici a început să folosească raze X pentru a fuziona vasele sub presiune sudate.

Efecte negative asupra radiografiei asupra sănătății

Având în vedere cât de multe raze X de energie se împachetează cu lungimile lor de undă scurte și frecvențele ridicate, în timp ce societatea a cuprins razele X în diverse domenii și discipline, expunerea la razele X ar provoca indivizii iritarea ochilor, insuficiența organelor și arsuri ale pielii, uneori chiar ducând la pierderea membrelor și a vieții. Aceste lungimi de undă ale spectrului electromagnetic ar putea rupe legăturile chimice care ar provoca mutații în ADN sau modificări ale structurii moleculare sau ale funcției celulare în țesuturile vii.

Cercetări mai recente asupra razelor X au arătat că aceste mutații și aberații chimice pot provoca cancer, iar oamenii de știință estimează 0,4% din cancerele din Statele Unite sunt cauzate de scanări CT. Pe măsură ce razele X au crescut în popularitate, cercetătorii au început să recomande niveluri de dozare de raze X care au fost considerate sigure.

Pe măsură ce societatea a îmbrățișat puterea razelor X, medicii, oamenii de știință și alți profesioniști au început să își exprime îngrijorarea cu privire la efectele negative asupra sănătății razelor X. Pe măsură ce cercetătorii au observat modul în care razele X ar trece prin corp, fără a acorda o atenție deosebită modului în care undele au vizat zonele specifice ale corpului, au avut puține motive să creadă că razele X pot fi periculoase.

Securitate cu raze X

În ciuda implicațiilor negative ale tehnologiilor cu raze X asupra sănătății umane, efectele lor pot fi controlate și menținute pentru a preveni riscul de daune sau riscuri inutile. În timp ce cancerul afectează în mod natural 1 din 5 americani, o scanare CT crește, în general, riscul de cancer cu 0,05 la sută, iar unii cercetători susțin că expunerea scăzută la radiații X nu poate nici măcar să contribuie la un risc de cancer.

Corpul uman are chiar modalități de reparare a daunelor cauzate de doze mici de raze X, potrivit unui studiu din Jurnalul American de Clinică Oncologie, care sugerează că scanările cu raze X nu prezintă deloc un risc semnificativ.

Copiii prezintă un risc mai mare de cancer cerebral și leucemie atunci când sunt expuși la radiografii. Din acest motiv, atunci când un copil poate necesita o scanare cu raze X, medicii și alți profesioniști discută riscurile cu tutorii familiei copiilor pentru a-și da acordul.

Razele X pe ADN

Expunerea la cantități mari de raze X poate duce la vărsături, sângerare, leșin, pierderea părului și pierderea pielii. Ele pot provoca mutații în ADN, deoarece au suficientă energie pentru a rupe legăturile dintre moleculele ADN.

Este încă dificil de determinat dacă mutații în ADN ca urmare a radiațiilor cu raze X sau mutații aleatorii ale ADN-ului în sine. Oamenii de știință pot studia natura mutațiilor, inclusiv probabilitatea, etiologia și frecvența acestora pentru a determina dacă rupturile cu dublu fir în ADN au fost rezultatul radiațiilor cu raze X sau mutațiile aleatorii ale ADN-ului în sine.