Как рассчитать рентгеновскую энергию

Содержание

• Рентген как волны
• Рентген как частицы
• Использование рентгеновской энергии
• Рентген в практических применениях
• Рентген в медицине
• Рентгенография: Начало
• Рентгенография: Распространение
• Рентгеновские негативные последствия для здоровья
• Рентгеновская безопасность
• Рентген на ДНК

Общая формула для энергии одиночного фотона электромагнитной волны, такой как рентгеновское излучение, имеет вид Уравнение Планка: Е = hνв котором энергия Е в джоулях равен произведению постоянной Планка час (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) и частота ν (произносится "ню") в единицах s_^-1_. Для данной частоты электромагнитной волны вы можете рассчитать соответствующую энергию рентгеновского излучения для одного фотона, используя это уравнение. Это относится ко всем формам электромагнитного излучения, включая видимый свет, гамма-излучение и рентгеновское излучение.

••• Сайед Хуссейн Атер

Уравнение Планка зависит от волнообразных свойств света. Если вы представляете свет в виде волны, как показано на диаграмме выше, вы можете представить, что он имеет амплитуду, частоту и длину волны так же, как океанская волна или звуковая волна. Амплитуда измеряет высоту одного гребня, как показано, и в целом соответствует яркости или интенсивности волны, а длина волны измеряет горизонтальное расстояние, которое охватывает полный цикл волны. Частота - это число полных длин волн, которые проходят заданную точку каждую секунду.

Рентген как волны

••• Сайед Хуссейн Атер

Как часть электромагнитного спектра, вы можете определить частоту или длину волны рентгеновского излучения, когда вы знаете, один или другой. Подобно уравнению Планка, эта частота ν электромагнитной волны относится к скорости света с, 3 х 10^-8 м / с, с уравнением с = λν в которой λ - длина волны волны. Скорость света остается постоянной во всех ситуациях и примерах, поэтому это уравнение демонстрирует, как частота и длина волны электромагнитной волны обратно пропорциональны друг другу.

На приведенной выше диаграмме показаны различные длины волн разных типов волн. Рентгеновские лучи лежат между ультрафиолетовым (УФ) и гамма-лучами в спектре, поэтому рентгеновские свойства длины волны и частоты падают между ними.

Более короткие волны указывают на большую энергию и частоту, которые могут представлять риск для здоровья человека. Солнцезащитные кремы, защищающие от ультрафиолетовых лучей, а также защитные покрытия и свинцовые экраны, которые блокируют попадание рентгеновских лучей в кожу, демонстрируют эту силу. К счастью, гамма-лучи из космоса поглощаются атмосферой Земли, не позволяя им причинять вред людям.

Наконец, частота может быть связана с периодом T в секундах с уравнением T = 1 / f, Эти рентгеновские свойства могут также применяться к другим формам электромагнитного излучения. Рентгеновское излучение, в частности, демонстрирует эти волнообразные свойства, но также и подобные частицам.

Рентген как частицы

В дополнение к волнообразному поведению, рентгеновское излучение ведет себя как поток частиц, как если бы одна волна рентгеновского излучения состояла из одной частицы за другой, сталкивающейся с объектами и, при столкновении, поглощающей, отражающей или проходящей сквозь нее.

Поскольку уравнение Планка использует энергию в форме одиночных фотонов, ученые говорят, что электромагнитные волны света «квантуются» в эти «пакеты» энергии. Они состоят из определенного количества фотонов, которые несут дискретные количества энергии, называемые квантами. Поскольку атомы поглощают или испускают фотоны, они, соответственно, увеличивают энергию или теряют ее. Эта энергия может принимать форму электромагнитного излучения.

В 1923 году американский физик Уильям Дуэйн объяснил, как рентгеновское излучение будет дифрагировать в кристаллах благодаря такому поведению, напоминающему частицы. Дуэйн использовал квантованную передачу импульса от геометрической структуры дифрагирующего кристалла, чтобы объяснить, как различные рентгеновские волны будут вести себя при прохождении через материал.

Рентгеновские лучи, как и другие формы электромагнитного излучения, демонстрируют эту двойственность волн и частиц, которая позволяет ученым описывать их поведение, как если бы они были одновременно и частицами, и волнами. Они текут как волны с длиной волны и частотой, испуская количество частиц, как если бы они были пучками частиц.

Использование рентгеновской энергии

Уравнение Планка, названное в честь немецкого физика Максвелла Планка, диктует, что свет ведет себя подобно волнам, свет также проявляет свойства частиц. Эта двойственно-волновая двойственность света означает, что, хотя энергия света зависит от его частоты, она все же поступает в дискретных количествах энергии, продиктованной фотонами.

Когда фотоны рентгеновского излучения вступают в контакт с различными материалами, некоторые из них поглощаются материалом, в то время как другие проходят через него. Рентген, который проходит через, позволяет докторам создавать внутренние изображения человеческого тела.

Рентген в практических применениях

Медицина, промышленность и различные области исследований в области физики и химии используют рентгеновское излучение по-разному. Исследователи медицинской визуализации используют рентгеновские лучи при постановке диагноза для лечения состояний в организме человека. Радиотерапия находит применение в лечении рака.

Промышленные инженеры используют рентгеновские лучи для обеспечения того, чтобы металлы и другие материалы обладали соответствующими свойствами, необходимыми для таких целей, как выявление трещин в зданиях или создание конструкций, способных выдерживать большое количество давления.

Исследования рентгеновских лучей на установках синхротрона позволяют компаниям производить научные приборы, используемые в спектроскопии и визуализации.Эти синхротроны используют большие магниты, чтобы изгибать свет и заставлять фотоны принимать волнообразные траектории. Когда рентгеновские лучи ускоряются круговыми движениями на этих установках, их излучение становится линейно поляризованным для получения большого количества энергии. Затем машина перенаправляет рентгеновские лучи на другие ускорители и оборудование для исследований.

Рентген в медицине

Применение рентгеновских лучей в медицине создало совершенно новые, инновационные методы лечения. Рентгеновские снимки стали неотъемлемой частью процесса выявления симптомов в организме благодаря их неинвазивной природе, которая позволила бы им диагностировать без необходимости физического проникновения в организм. Рентген также имел преимущество в том, что он направлял врачей, вставляя, удаляя или модифицируя медицинские устройства у пациентов.

Существует три основных типа рентгенографии, используемых в медицине. Во-первых, рентгенография, изображения скелетной системы с небольшим количеством радиации. Вторая, рентгеноскопия, позволяет профессионалам просматривать внутреннее состояние пациента в режиме реального времени. Медицинские исследователи использовали это, чтобы кормить пациентов барием, чтобы наблюдать за работой их пищеварительного тракта и диагностировать заболевания и расстройства пищевода.

Наконец, компьютерная томография позволяет пациентам лежать под кольцевым сканером, чтобы создать трехмерное изображение внутренних органов и структур пациента. Трехмерные изображения собраны вместе из множества поперечных изображений тела пациента.

Рентгенография: Начало

Немецкий инженер-механик Вильгельм Конрад Рентген открыл рентгеновские лучи, когда работал с электронно-лучевыми трубками, устройством, которое запускало электроны для получения изображений. В трубке использовалась стеклянная оболочка, которая защищала электроды в вакууме внутри трубки. Через электрические токи через трубку Рентген наблюдал, как различные электромагнитные волны излучались из устройства.

Когда Рентген использовал толстую черную бумагу для защиты трубки, он обнаружил, что трубка излучает зеленый флуоресцентный свет, рентгеновское излучение, которое может проходить через бумагу и заряжать другие материалы. Он обнаружил, что, когда заряженные электроны определенного количества энергии столкнутся с материалом, были произведены рентгеновские лучи.

Называя их «Рентгенами», Рентген надеялся запечатлеть их таинственную, неизвестную природу. Рентген обнаружил, что он может проходить через человеческую ткань, но не через кость или металл. В конце 1895 года инженер создал изображение руки своей жены, используя рентгеновские снимки, а также изображение гирь в коробке, что является заметным достижением в истории рентгеновских лучей.

Рентгенография: Распространение

Вскоре ученые и инженеры увлеклись рентгеном. Загадочная природа начала изучать возможности использования рентгеновских лучей. Рентген (р) станет уже не существующей единицей измерения радиационного облучения, которая будет определяться как величина облучения, необходимая для создания единой положительной и отрицательной единицы электростатического заряда для сухого воздуха.

Создавая изображения внутренних структур скелета и органов людей и других существ, хирурги и медицинские исследователи создали инновационные методы понимания человеческого тела или определения местоположения пуль у раненых солдат.

К 1896 году ученые уже применяли методы, чтобы выяснить, какие типы рентгеновских лучей могут пройти. К сожалению, трубки, которые производят рентгеновские лучи, ломались бы при большом количестве напряжения, необходимого для промышленных целей, пока трубки Кулиджа американского физика-инженера Уильяма Д. Кулиджа 1913 года не использовали вольфрамовую нить для более точной визуализации в недавно появившейся области исследований. радиологии. Работа Кулиджа позволила бы надежно заземлить рентгеновские трубки в физических исследованиях.

Промышленные работы начались с производства лампочек, люминесцентных ламп и вакуумных ламп. Производственные предприятия производили рентгенограммы, рентгеновские снимки стальных труб для проверки их внутренней структуры и состава. К 1930-м годам компания General Electric выпустила миллион рентгеновских генераторов для промышленной радиографии. Американское общество инженеров-механиков начало использовать рентгеновские лучи для соединения сварных сосудов под давлением.

Рентгеновские негативные последствия для здоровья

Учитывая, сколько энергии рентгеновские лучи упаковывают с их короткими длинами волн и высокими частотами, поскольку общество приняло рентгеновские лучи в различных областях и дисциплинах, воздействие рентгеновских лучей может вызвать у людей раздражение глаз, повреждение органов и ожоги кожи, иногда даже в результате чего потеря конечностей и жизней. Эти длины волн электромагнитного спектра могут нарушать химические связи, которые вызывают мутации в ДНК или изменения молекулярной структуры или клеточных функций в живых тканях.

Более поздние исследования рентгеновских лучей показали, что эти мутации и химические аберрации могут вызывать рак, и, по оценкам ученых, 0,4% случаев рака в Соединенных Штатах вызваны КТ. Поскольку популярность рентгеновских лучей возросла, исследователи начали рекомендовать уровни дозировки рентгеновских лучей, которые считались безопасными.

Когда общество приняло силу рентгеновских лучей, врачи, ученые и другие специалисты начали выражать свою обеспокоенность по поводу негативного воздействия рентгеновских лучей на здоровье. Поскольку исследователи наблюдали, как рентгеновские лучи будут проходить через тело, не обращая пристального внимания на то, как волны воздействуют на определенные области тела, у них было мало оснований полагать, что рентгеновские лучи могут быть опасными.

Рентгеновская безопасность

Несмотря на негативное влияние рентгеновских технологий на здоровье человека, их воздействие можно контролировать и поддерживать для предотвращения ненужного вреда или риска. В то время как рак естественным образом поражает каждого пятого американца, КТ обычно повышает риск развития рака на 0,05 процента, и некоторые исследователи утверждают, что низкое рентгеновское облучение может даже не повышать риск заболевания раком.

Человеческое тело даже имеет встроенные способы восстановления повреждений, вызванных низкими дозами рентгеновских лучей, согласно исследованию в Американском журнале клинической онкологии, предполагающим, что рентгеновское сканирование не представляет какого-либо значительного риска вообще.

Дети подвергаются большему риску рака мозга и лейкемии при воздействии рентгеновских лучей. По этой причине, когда ребенку может потребоваться рентген, врачи и другие специалисты обсуждают риски с опекунами семьи ребенка, чтобы дать согласие.

Рентген на ДНК

Воздействие большого количества рентгеновских лучей может привести к рвоте, кровотечению, обморокам, выпадению волос и потере кожи. Они могут вызывать мутации в ДНК, потому что у них достаточно энергии для разрыва связей между молекулами ДНК.

Все еще трудно определить, являются ли мутации в ДНК из-за рентгеновского излучения или случайных мутаций самой ДНК. Ученые могут изучить природу мутаций, в том числе их вероятность, этиологию и частоту, чтобы определить, были ли разрывы двухцепочечной ДНК в результате рентгеновского излучения или случайных мутаций самой ДНК.