Πώς να υπολογίσετε την ενέργεια ακτίνων Χ

Περιεχόμενο

• Ακτίνες Χ ως κύματα
• Οι ακτίνες Χ ως σωματίδια
• Χρησιμοποιώντας ενέργεια ακτίνων Χ
• Ακτίνες Χ σε πρακτικές εφαρμογές
• Ακτινογραφίες στην Ιατρική
• Ιστορία ακτίνων Χ: Έναρξη
• Ιστορία ακτίνων Χ: Διαδώστε
• Ακτινογραφικές αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία
• Ασφάλεια ακτίνων Χ
• Ακτινογραφίες στο DNA

Ο γενικός τύπος για την ενέργεια ενός μόνο φωτονίου ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος, όπως μια ακτινογραφία, δίνεται από Plancks εξίσωση: E = hν, στην οποία η ενέργεια μι σε Joules είναι ίση με το προϊόν της σταθεράς Plancks h (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) και τη συχνότητα ν (προφέρεται "nu") σε μονάδες s_^-1_. Για μια δεδομένη συχνότητα ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος, μπορείτε να υπολογίσετε τη σχετική ενέργεια ακτίνων Χ για ένα μόνο φωτόνιο χρησιμοποιώντας αυτήν την εξίσωση. Εφαρμόζεται σε όλες τις μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας συμπεριλαμβανομένου του ορατού φωτός, των ακτίνων γάμμα και των ακτίνων Χ.

••• Syed Hussain Ather

Η εξίσωση Plancks εξαρτάται από τις ιδιότητες του φώτου. Εάν φανταστείτε το φως ως κύμα όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα, μπορείτε να φανταστείτε ότι έχει εύρος, συχνότητα και μήκος κύματος ακριβώς όπως ένα κύμα ωκεανού ή ένα ηχητικό κύμα. Το εύρος μετράει το ύψος μιας κορυφής όπως φαίνεται και γενικά αντιστοιχεί στη φωτεινότητα ή την ένταση του κύματος και το μήκος κύματος μετρά την οριζόντια απόσταση που καλύπτει ένας πλήρης κύκλος του κύματος. Η συχνότητα είναι ο αριθμός πλήρους μήκους κύματος που διέρχεται από ένα δεδομένο σημείο κάθε δευτερόλεπτο.

Ακτίνες Χ ως κύματα

••• Syed Hussain Ather

Ως μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, μπορείτε να καθορίσετε είτε τη συχνότητα είτε το μήκος κύματος μιας ακτίνων Χ όταν γνωρίζετε το ένα ή το άλλο. Παρόμοια με την εξίσωση Plancks, αυτή η συχνότητα ν ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος σχετίζεται με την ταχύτητα του φωτός ντο, 3 χ 10^-8 m / s, με την εξίσωση c = λν όπου λ είναι το μήκος κύματος του κύματος. Η ταχύτητα του φωτός παραμένει σταθερή σε όλες τις καταστάσεις και παραδείγματα, επομένως αυτή η εξίσωση δείχνει πώς η συχνότητα και το μήκος κύματος ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι αντιστρόφως ανάλογες μεταξύ τους.

Στο παραπάνω διάγραμμα, εμφανίζονται τα διάφορα μήκη κύματος διαφόρων τύπων κυμάτων. Οι ακτίνες Χ βρίσκονται μεταξύ της υπεριώδους ακτινοβολίας (UV) και της ακτινοβολίας γάμμα στο φάσμα έτσι ώστε οι ιδιότητες των ακτίνων Χ του μήκους κύματος και της συχνότητας να πέφτουν μεταξύ τους.

Τα μικρότερα μήκη κύματος δείχνουν μεγαλύτερη ενέργεια και συχνότητα που μπορεί να θέσει σε κίνδυνο την ανθρώπινη υγεία. Τα αντηλιακά που εμποδίζουν τις ακτίνες UV και τα προστατευτικά παλτά και τις ασπίδες μολύβδου που εμποδίζουν την εισαγωγή ακτίνων Χ να επιδεικνύουν αυτή την ισχύ. Οι ακτίνες γάμμα από τον εξωτερικό χώρο ευτυχώς απορροφώνται από την ατμόσφαιρα της Γης, εμποδίζοντας τους να βλάψουν τους ανθρώπους.

Τέλος, η συχνότητα μπορεί να σχετίζεται με την περίοδο Τ σε δευτερόλεπτα με την εξίσωση T = 1 / f. Αυτές οι ιδιότητες των ακτίνων Χ μπορούν επίσης να εφαρμοστούν σε άλλες μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ειδικά η ακτινοβολία ακτίνων Χ παρουσιάζει τις ιδιότητες αυτές, αλλά και σωματιδίων.

Οι ακτίνες Χ ως σωματίδια

Εκτός από τις ευμετάβλητες συμπεριφορές, οι ακτίνες Χ συμπεριφέρονται σαν ένα ρεύμα σωματιδίων σαν ένα μοναδικό κύμα μιας ακτινογραφίας που αποτελείται από ένα σωματίδιο μετά από άλλο να συγκρούεται με αντικείμενα και, κατά τη σύγκρουση, απορροφά, αντανακλά ή περάσει.

Επειδή η εξίσωση Plancks χρησιμοποιεί ενέργεια με τη μορφή μεμονωμένων φωτονίων, οι επιστήμονες λένε ότι ηλεκτρομαγνητικά κύματα φωτός "κβαντοποιούνται" σε αυτά τα "πακέτα" ενέργειας. Κατασκευάζονται από συγκεκριμένες ποσότητες φωτονίων που φέρουν ξεχωριστές ποσότητες ενέργειας που ονομάζονται ποσοτικά. Καθώς τα άτομα απορροφούν ή εκπέμπουν φωτόνια, αυτά, αντίστοιχα, αυξάνουν την ενέργεια ή χάνουν. Αυτή η ενέργεια μπορεί να πάρει τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Το 1923 ο Αμερικανός φυσικός William Duane εξήγησε πώς οι ακτίνες Χ θα διαθλώνονταν σε κρυστάλλους μέσω αυτών των σωματιδιακών συμπεριφορών. Ο Duane χρησιμοποίησε την κβαντισμένη μεταφορά ορμής από τη γεωμετρική δομή του κρύσταλλου διάθλασης για να εξηγήσει πώς τα διαφορετικά κύματα ακτίνων Χ θα συμπεριφερόταν κατά τη διέλευση από το υλικό.

Οι ακτίνες Χ, όπως και άλλες μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, εμφανίζουν αυτή τη δυαδικότητα των κυμάτων-σωματιδίων που επιτρέπει στους επιστήμονες να περιγράφουν τη συμπεριφορά τους σαν να ήταν ταυτόχρονα σωματίδια και κύματα. Φέρουν σαν κύματα με μήκος κύματος και συχνότητα, ενώ εκπέμπουν ποσότητες σωματιδίων σαν να ήταν δέσμες σωματιδίων.

Χρησιμοποιώντας ενέργεια ακτίνων Χ

Ονομάστηκε από τον γερμανό φυσικό Maxwell Planck, η εξίσωση Plancks υπαγορεύει ότι το φως συμπεριφέρεται με αυτόν τον τρόπο, το φως δείχνει επίσης ιδιότητες που μοιάζουν με σωματίδια. Αυτή η δυαδικότητα του φωτός κύματος-σωματιδίου σημαίνει ότι, αν και η ενέργεια του φωτός εξαρτάται από τη συχνότητά του, εξακολουθεί να έρχεται σε διακριτές ποσότητες ενέργειας που υπαγορεύονται από τα φωτόνια.

Όταν τα φωτόνια των ακτίνων Χ έρχονται σε επαφή με διαφορετικά υλικά, μερικά από αυτά απορροφώνται από το υλικό ενώ άλλα περνούν. Οι ακτίνες Χ που περνούν μέσα από τους γιατρούς δημιουργούν εσωτερικές εικόνες του ανθρώπινου σώματος.

Ακτίνες Χ σε πρακτικές εφαρμογές

Η ιατρική, η βιομηχανία και διάφοροι τομείς έρευνας μέσω της φυσικής και της χημείας χρησιμοποιούν ακτίνες Χ με διαφορετικούς τρόπους. Οι ερευνητές της ιατρικής απεικόνισης χρησιμοποιούν ακτινογραφίες για τη δημιουργία διαγνώσεων για τη θεραπεία καταστάσεων στο ανθρώπινο σώμα. Η ακτινοθεραπεία έχει εφαρμογές στη θεραπεία του καρκίνου.

Οι βιομηχανικοί μηχανικοί χρησιμοποιούν ακτίνες Χ για να εξασφαλίσουν ότι τα μέταλλα και άλλα υλικά έχουν τις κατάλληλες ιδιότητες που απαιτούνται για σκοπούς όπως η αναγνώριση ρωγμών στα κτίρια ή η δημιουργία δομών που μπορούν να αντέξουν σε μεγάλες ποσότητες πίεσης.

Η έρευνα σχετικά με τις ακτίνες Χ στις εγκαταστάσεις synchrotron επιτρέπει στις εταιρείες να κατασκευάζουν επιστημονικά όργανα που χρησιμοποιούνται στη φασματοσκοπία και την απεικόνιση.Αυτά τα συγχροτρόνια χρησιμοποιούν μεγάλους μαγνήτες για να κάμψουν το φως και να αναγκάσουν τα φωτόνια να πάρουν κυματοειδείς τροχιές. Όταν οι ακτίνες Χ επιταχύνουν σε κυκλικές κινήσεις σε αυτές τις εγκαταστάσεις, η ακτινοβολία τους γίνεται γραμμικά πολωμένη για να παράγει μεγάλα ποσά ενέργειας. Στη συνέχεια, η μηχανή ανακατευθύνει τις ακτίνες Χ προς άλλους επιταχυντές και εγκαταστάσεις έρευνας.

Ακτινογραφίες στην Ιατρική

Οι εφαρμογές των ακτίνων Χ στην ιατρική δημιούργησαν εντελώς νέες, καινοτόμες μεθόδους θεραπείας. Οι ακτίνες Χ έγιναν αναπόσπαστο μέρος της διαδικασίας ταυτοποίησης των συμπτωμάτων μέσα στο σώμα μέσω της μη επεμβατικής τους φύσης που θα τους επιτρέψει να διαγνώσουν χωρίς την ανάγκη φυσικής εισόδου στο σώμα. Οι ακτίνες Χ είχαν επίσης το πλεονέκτημα να καθοδηγούν τους γιατρούς καθώς εισάγουν, αφαιρούν ή τροποποιούν ιατρικές συσκευές στους ασθενείς.

Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι απεικονίσεων ακτίνων Χ που χρησιμοποιούνται στην ιατρική. Η πρώτη, ακτινογραφία, απεικονίζει το σκελετικό σύστημα με μικρές ποσότητες ακτινοβολίας. Η δεύτερη, ακτινοσκόπηση, επιτρέπει στους επαγγελματίες να βλέπουν την εσωτερική κατάσταση ενός ασθενούς σε πραγματικό χρόνο. Οι ιατρικοί ερευνητές το χρησιμοποίησαν για να τροφοδοτήσουν τους ασθενείς με βαρίου για να παρατηρήσουν τη λειτουργία της πεπτικής οδού τους και να διαγνώσουν οισοφαγικές ασθένειες και διαταραχές.

Τέλος, η υπολογισμένη τομογραφία επιτρέπει στους ασθενείς να ξαπλώνουν κάτω από έναν δακτυλιοειδή σκάνερ για να δημιουργήσουν μια τρισδιάστατη εικόνα των εσωτερικών οργάνων και δομών των ασθενών. Οι τρισδιάστατες εικόνες συσσωματώνονται από πολλές εικόνες εγκάρσιας τομής που λαμβάνονται από το σώμα των ασθενών.

Ιστορία ακτίνων Χ: Έναρξη

Ο γερμανός μηχανολόγος μηχανικός Wilhelm Conrad Roentgen ανακάλυψε τις ακτίνες Χ ενώ εργαζόταν με καθοδικές λυχνίες, μια συσκευή που πυροβόλησε ηλεκτρόνια για την παραγωγή εικόνων. Ο σωλήνας χρησιμοποίησε ένα γυάλινο περίβλημα που προστατεύει τα ηλεκτρόδια από ένα κενό εντός του σωλήνα. Καταγράφοντας ηλεκτρικά ρεύματα διαμέσου του σωλήνα, ο Roentgen παρατήρησε πόσο διαφορετικά ηλεκτρομαγνητικά κύματα εκπέμπονται από τη συσκευή.

Όταν η Roentgen χρησιμοποίησε ένα παχύ μαύρο χαρτί για την προστασία του σωλήνα, διαπίστωσε ότι ο σωλήνας εκπέμπει πράσινο φθορίζον φως, μια ακτινογραφία που θα μπορούσε να περάσει από το χαρτί και να ενεργοποιήσει άλλα υλικά. Διαπίστωσε ότι, όταν τα φορτισμένα ηλεκτρόνια μιας συγκεκριμένης ποσότητας ενέργειας θα συγκρούονται με το υλικό, παράγονται ακτίνες Χ.

Ονομάζοντάς τους "ακτινογραφίες", ο Roentgen ελπίζει να συλλάβει τη μυστηριώδη, άγνωστη φύση τους. Το Roentgen ανακάλυψε ότι θα μπορούσε να περάσει από τον ανθρώπινο ιστό, αλλά όχι μέσω οστού ή μετάλλου. Στα τέλη του 1895, ο μηχανικός δημιούργησε μια εικόνα του χεριού του wifes χρησιμοποιώντας τις ακτίνες Χ καθώς και μια εικόνα των βαρών σε ένα κουτί, ένα αξιοσημείωτο κατόρθωμα στην ιστορία των ακτίνων Χ.

Ιστορία ακτίνων Χ: Διαδώστε

Σύντομα, οι επιστήμονες και οι μηχανικοί γοητεύτηκαν από τις ακτίνες X. Η μυστηριώδης φύση άρχισε να εξερευνά τις δυνατότητες χρήσης ακτίνων Χ. Το ροεντένιο (R) θα μπορούσε να γίνει μια μονάδα που τώρα δεν μπορεί να μετρήσει τη μέτρηση της έκθεσης στην ακτινοβολία, η οποία θα ορίζεται ως η ποσότητα έκθεσης που απαιτείται για να δημιουργηθεί μία μόνο θετική και αρνητική μονάδα ηλεκτροστατικού φορτίου για τον ξηρό αέρα.

Η παραγωγή εικόνων των εσωτερικών δομών του σκελετικού και οργάνου των ανθρώπων και άλλων πλασμάτων, χειρούργοι και ιατρικοί ερευνητές δημιούργησε καινοτόμες τεχνικές κατανόησης του ανθρώπινου σώματος ή καταγραφή των σφαγών που εντοπίστηκαν σε τραυματίες στρατιώτες.

Μέχρι το 1896, οι επιστήμονες εφαρμόζονταν ήδη τις τεχνικές για να καταλάβουν ποιοι τύποι ακτίνων Χ θα μπορούσαν να περάσουν. Δυστυχώς, οι σωλήνες που παράγουν ακτινογραφίες θα διασπαστούν κάτω από τις μεγάλες ποσότητες τάσης που απαιτούνται για βιομηχανικούς σκοπούς έως ότου οι σωληνίσκοι Coolidge του 1913 του Αμερικανού φυσικού μηχανικού William D. Coolidge χρησιμοποίησαν ένα νήμα βολφραμίου για ακριβέστερη απεικόνιση στο νεοσύστατο πεδίο ραδιολογία. Το έργο Coolidges θα σταθεροποιούσε σταθερά τους σωλήνες ακτίνων Χ στην έρευνα της φυσικής.

Οι βιομηχανικές εργασίες ξεκίνησαν με την παραγωγή λαμπτήρων, λαμπτήρων φθορισμού και σωλήνων κενού. Τα εργοστάσια παραγωγής παρήγαγαν ακτινογραφίες, εικόνες ακτίνων Χ, σωλήνες από χάλυβα για να επαληθεύσουν τις εσωτερικές τους δομές και σύνθεση. Μέχρι τη δεκαετία του 1930, η General Electric Company παρήγαγε ένα εκατομμύριο γεννήτριες ακτίνων Χ για βιομηχανική ακτινογραφία. Η Αμερικανική Εταιρεία Μηχανολόγων Μηχανικών άρχισε να χρησιμοποιεί ακτίνες Χ για τη συγκόλληση συγκολλημένων δοχείων πίεσης.

Ακτινογραφικές αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία

Δεδομένου ότι η δέσμη ακτίνων Χ πακέτο με τα σύντομα μήκη κύματος και τις υψηλές συχνότητες, καθώς η κοινωνία αγκάλιασε ακτίνες Χ σε διάφορους τομείς και κλάδους, η έκθεση σε ακτινογραφίες θα προκαλούσε ερεθισμό των ματιών, βλάβη οργάνων και εγκαύματα του δέρματος, με αποτέλεσμα την απώλεια των άκρων και των ζωών. Αυτά τα μήκη κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος θα μπορούσαν να σπάσουν τους χημικούς δεσμούς που θα προκαλούσαν μεταλλάξεις στο DNA ή μεταβολές στη μοριακή δομή ή στην κυτταρική λειτουργία στους ζωντανούς ιστούς.

Πιο πρόσφατες έρευνες για τις ακτίνες Χ έδειξαν ότι αυτές οι μεταλλάξεις και οι χημικές εκτροπές μπορούν να προκαλέσουν καρκίνο και οι επιστήμονες εκτιμούν ότι το 0,4% των καρκίνων στις Ηνωμένες Πολιτείες προκαλούνται από CT ανιχνεύσεις. Καθώς οι ακτίνες Χ αυξήθηκαν στη δημοτικότητα, οι ερευνητές άρχισαν να συνιστούν επίπεδα δόσης ακτίνων Χ που κρίθηκαν ασφαλή.

Καθώς η κοινωνία αγκάλιασε τη δύναμη των ακτίνων Χ, οι γιατροί, οι επιστήμονες και άλλοι επαγγελματίες άρχισαν να εκφράζουν τις ανησυχίες τους για τις αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία από τις ακτινογραφίες. Καθώς οι ερευνητές παρατήρησαν πως οι ακτίνες Χ θα περάσουν μέσα από το σώμα χωρίς να δίνουν ιδιαίτερη προσοχή στο πώς τα κύματα είχαν ειδικά στοχευμένες περιοχές του σώματος, δεν είχαν λόγους να πιστεύουν ότι οι ακτίνες Χ θα μπορούσαν να είναι επικίνδυνες.

Ασφάλεια ακτίνων Χ

Παρά τις αρνητικές επιπτώσεις των τεχνολογιών ακτίνων Χ στην ανθρώπινη υγεία, τα αποτελέσματά τους μπορούν να ελεγχθούν και να διατηρηθούν για να αποφευχθεί περιττή βλάβη ή κίνδυνος. Ενώ ο καρκίνος επηρεάζει φυσικά 1 στους 5 Αμερικανούς, η CT σάρωση γενικά αυξάνει τον κίνδυνο καρκίνου κατά 0,05% και ορισμένοι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η χαμηλή έκθεση σε ακτίνες Χ μπορεί να μην συμβάλλει ακόμη και σε κίνδυνο ατόμων από καρκίνο.

Το ανθρώπινο σώμα έχει ακόμη και ενσωματωμένους τρόπους για την αποκατάσταση ζημιών που προκαλούνται από χαμηλές δόσεις ακτίνων Χ, σύμφωνα με μελέτη της Αμερικανικής Εφημερίδας Κλινικής Ογκολογίας, που υποδηλώνει ότι οι ακτίνες Χ δεν ανιχνεύουν κανένα σημαντικό κίνδυνο.

Τα παιδιά διατρέχουν μεγαλύτερο κίνδυνο εμφάνισης καρκίνου του εγκεφάλου και λευχαιμίας όταν εκτίθενται σε ακτίνες Χ. Για το λόγο αυτό, όταν ένα παιδί μπορεί να χρειαστεί ακτινοσκόπηση, οι γιατροί και άλλοι επαγγελματίες συζητούν τους κινδύνους με τους κηδεμόνες της οικογένειας των παιδιών να παρέχουν συναίνεση.

Ακτινογραφίες στο DNA

Η έκθεση σε υψηλές ποσότητες ακτίνων Χ μπορεί να προκαλέσει έμετο, αιμορραγία, λιποθυμία, απώλεια μαλλιών και απώλεια του δέρματος. Μπορούν να προκαλέσουν μεταλλάξεις στο DNA επειδή έχουν αρκετή ενέργεια για να διασπάσουν τους δεσμούς μεταξύ των μορίων DNA.

Είναι ακόμα δύσκολο να προσδιοριστεί εάν οι μεταλλάξεις στο DNA οφείλονται σε ακτινοβολία ακτίνων Χ ή σε τυχαίες μεταλλάξεις του ίδιου του DNA. Οι επιστήμονες μπορούν να μελετήσουν τη φύση των μεταλλάξεων, συμπεριλαμβανομένης της πιθανότητας, της αιτιολογίας και της συχνότητάς τους, για να προσδιορίσουν εάν τα διπλά σκέλη διαλείμματα στο DNA ήταν το αποτέλεσμα της ακτινοβολίας ακτίνων Χ ή των τυχαίων μεταλλάξεων του ίδιου του DNA.