Hoe röntgenenergie te berekenen

Inhoud

• X-stralen als golven
• X-stralen als deeltjes
• Röntgenenergie gebruiken
• Röntgenstralen in praktische toepassingen
• X-stralen in de geneeskunde
• Röntgengeschiedenis: Inception
• X-ray geschiedenis: Spread
• X-ray negatieve gezondheidseffecten
• Röntgenveiligheid
• X-stralen op DNA

De algemene formule voor energie van een enkel foton van een elektromagnetische golf zoals een röntgenfoto wordt gegeven door Plancks vergelijking: E = hv, waarin energie E in Joules is gelijk aan het product van Plancks constant h (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) en de frequentie ν (uitgesproken als "nu") in eenheden van s_^-1_. Voor een gegeven frequentie van een elektromagnetische golf kunt u de bijbehorende röntgenenergie voor een enkel foton berekenen met behulp van deze vergelijking. Het is van toepassing op alle vormen van elektromagnetische straling, inclusief zichtbaar licht, gammastralen en röntgenstralen.

••• Syed Hussain Ather

Plancks-vergelijking is afhankelijk van golfachtige eigenschappen van licht. Als u zich licht als een golf voorstelt zoals in het bovenstaande diagram, kunt u zich voorstellen dat het een amplitude, frequentie en golflengte heeft, net zoals een oceaangolf of een geluidsgolf dat zou kunnen. De amplitude meet de hoogte van één top zoals getoond en komt in het algemeen overeen met de helderheid of intensiteit van de golf, en de golflengte meet de horizontale afstand die een volledige cyclus van de golf beslaat. De frequentie is het aantal volledige golflengten die elke seconde een bepaald punt passeren.

X-stralen als golven

••• Syed Hussain Ather

Als onderdeel van het elektromagnetische spectrum, kunt u de frequentie of golflengte van een röntgenfoto bepalen wanneer u het een of het ander kent. Vergelijkbaar met de Plancks-vergelijking, deze frequentie ν van een elektromagnetische golf heeft betrekking op de snelheid van het licht c, 3 x 10^-8 m / s, met de vergelijking c = λν waarin λ de golflengte van de golf is. De snelheid van het licht blijft constant in alle situaties en voorbeelden, dus deze vergelijking laat zien hoe frequentie en golflengte van een elektromagnetische golf omgekeerd evenredig met elkaar zijn.

In het bovenstaande diagram worden de verschillende golflengten van verschillende soorten golven weergegeven. Röntgenstralen liggen tussen ultraviolet (UV) en gammastralen in het spectrum, zodat röntgeneigenschappen van golflengte en frequentie daartussen vallen.

Kortere golflengtes duiden op meer energie en frequentie die risico's voor de menselijke gezondheid kunnen opleveren. Zonnebrandmiddelen die blokkeren tegen UV-stralen en beschermende jassen en afschermingen van lood die voorkomen dat röntgenstralen de huid binnendringen, tonen deze kracht. Gammastralen vanuit de ruimte worden gelukkig geabsorbeerd door de atmosfeer van de aarde, waardoor ze mensen geen schade kunnen berokkenen.

Ten slotte kan frequentie worden gerelateerd aan periode T in seconden met de vergelijking T = 1 / f. Deze röntgeneigenschappen kunnen ook van toepassing zijn op andere vormen van elektromagnetische straling. Vooral röntgenstraling vertoont deze golfachtige eigenschappen, maar ook deeltjesachtige eigenschappen.

X-stralen als deeltjes

Naast golfvormig gedrag gedragen röntgenstralen zich als een stroom deeltjes alsof een enkele röntgengolf bestond uit het ene deeltje na het andere met objecten in botsing en, bij botsing absorberen, reflecteren of passeren.

Omdat de Plancks-vergelijking energie gebruikt in de vorm van afzonderlijke fotonen, zeggen wetenschappers dat elektromagnetische lichtgolven worden "gekwantiseerd" in deze "energiepakketten". Ze zijn gemaakt van specifieke hoeveelheden foton die afzonderlijke hoeveelheden energie dragen, quanta genoemd. Terwijl atomen fotonen absorberen of uitzenden, nemen ze respectievelijk toe in energie of verliezen ze deze. Deze energie kan de vorm aannemen van elektromagnetische straling.

In 1923 legde de Amerikaanse natuurkundige William Duane uit hoe röntgenstralen in kristallen zouden diffracteren door dit deeltjesachtige gedrag. Duane gebruikte de gekwantiseerde impulsoverdracht van de geometrische structuur van het brekende kristal om uit te leggen hoe verschillende röntgenstralen zich zouden gedragen bij het passeren door het materiaal.

Röntgenstralen vertonen, net als andere vormen van elektromagnetische straling, deze dualiteit van golfdeeltjes waarmee wetenschappers hun gedrag kunnen beschrijven alsof ze tegelijkertijd deeltjes en golven waren. Ze stromen als golven met een golflengte en frequentie terwijl ze hoeveelheden deeltjes uitzenden alsof ze stralen van deeltjes zijn.

Röntgenenergie gebruiken

Vernoemd naar de Duitse natuurkundige Maxwell Planck, dicteert de vergelijking van Plancks dat licht zich op deze golfachtige manier gedraagt, dat licht ook deeltjesachtige eigenschappen vertoont. Deze dualiteit van golfdeeltjes van licht betekent dat, hoewel de energie van licht afhangt van zijn frequentie, het nog steeds in afzonderlijke hoeveelheden energie komt die door fotonen worden voorgeschreven.

Wanneer de fotonen van röntgenstralen in contact komen met verschillende materialen, worden sommige door het materiaal geabsorbeerd, terwijl andere erdoorheen gaan. De röntgenstralen die erdoorheen gaan, laten artsen interne beelden van het menselijk lichaam maken.

Röntgenstralen in praktische toepassingen

Geneeskunde, industrie en verschillende onderzoeksgebieden via fysica en scheikunde gebruiken röntgenstralen op verschillende manieren. Onderzoekers van medische beeldvorming gebruiken röntgenstralen bij het stellen van diagnoses om aandoeningen in het menselijk lichaam te behandelen. Radiotherapie heeft toepassingen bij de behandeling van kanker.

Industrieel ingenieurs gebruiken röntgenstralen om ervoor te zorgen dat metalen en andere materialen de juiste eigenschappen hebben die nodig zijn voor doeleinden zoals het identificeren van scheuren in gebouwen of het creëren van structuren die grote hoeveelheden druk kunnen weerstaan.

Onderzoek naar röntgenstralen bij synchrotronfaciliteiten stelt bedrijven in staat wetenschappelijke instrumenten te produceren die worden gebruikt in spectroscopie en beeldvorming.Deze synchrotrons gebruiken grote magneten om licht te buigen en dwingen de fotonen om golfvormige banen te nemen. Wanneer röntgenstralen worden versneld in cirkelvormige bewegingen bij deze faciliteiten, wordt hun straling lineair gepolariseerd om grote hoeveelheden vermogen te produceren. De machine stuurt de röntgenstralen vervolgens naar andere versnellers en faciliteiten voor onderzoek.

X-stralen in de geneeskunde

De toepassingen van röntgenstralen in de geneeskunde creëerden geheel nieuwe, innovatieve behandelmethoden. Röntgenstralen werden een integraal onderdeel van het proces van het identificeren van symptomen in het lichaam door hun niet-invasieve aard waardoor ze konden diagnosticeren zonder fysiek in het lichaam te hoeven komen. Röntgenfoto's hadden ook het voordeel dat artsen werden begeleid bij het inbrengen, verwijderen of aanpassen van medische hulpmiddelen bij patiënten.

Er zijn drie hoofdtypen röntgenfoto's die in de geneeskunde worden gebruikt. De eerste, radiografie, beeldt het skelet af met slechts kleine hoeveelheden straling. De tweede, fluoroscopie, laat professionals de interne toestand van een patiënt in realtime bekijken. Medische onderzoekers hebben dit gebruikt om patiënten barium te voeden om de werking van hun spijsverteringskanaal te observeren en slokdarmziekten en -stoornissen te diagnosticeren.

Ten slotte kunnen computertomografie patiënten onder een ringvormige scanner laten liggen om een ​​driedimensionaal beeld van de interne organen en structuren van de patiënt te creëren. De driedimensionale beelden worden samengevoegd uit vele dwarsdoorsnedebeelden die zijn genomen van het lichaam van de patiënt.

Röntgengeschiedenis: Inception

De Duitse werktuigbouwkundige Wilhelm Conrad Roentgen ontdekte röntgenstralen terwijl hij werkte met kathodestraalbuizen, een apparaat dat elektronen afvuurde om beelden te produceren. De buis gebruikte een glazen omhulsel dat de elektroden in een vacuüm in de buis beschermde. Door elektrische stroom door de buis te laten, observeerde Roentgen hoe verschillende elektromagnetische golven door het apparaat werden uitgezonden.

Toen Roentgen dik zwart papier gebruikte om de buis te beschermen, ontdekte hij dat de buis een groen fluorescerend licht uitzond, een röntgenfoto, die door het papier kon gaan en andere materialen kon bekrachtigen. Hij ontdekte dat, wanneer geladen elektronen met een bepaalde hoeveelheid energie op materiaal zouden botsen, röntgenstralen werden geproduceerd.

Roentgen noemde ze 'röntgenfoto's' en hoopte hun mysterieuze, onbekende aard vast te leggen. Roentgen ontdekte dat het door menselijk weefsel kon gaan, maar niet door bot of metaal. Eind 1895 creëerde de ingenieur een afbeelding van de hand van zijn vrouw met behulp van de röntgenfoto's en een afbeelding van gewichten in een doos, een opmerkelijke prestatie in de röntgengeschiedenis.

X-ray geschiedenis: Spread

Al snel raakten wetenschappers en ingenieurs verleid door de mysterieuze aard van röntgenstralen die de mogelijkheden voor röntgengebruik begonnen te verkennen. De Röntgen (R) zou een nu ter ziele gegane eenheid voor het meten van blootstelling aan straling worden, die zou worden gedefinieerd als de hoeveelheid blootstelling die nodig is om een ​​enkele positieve en negatieve eenheid van elektrostatische lading voor droge lucht te maken.

Chirurgen en medische onderzoekers produceerden afbeeldingen van de interne skelet- en orgaanstructuren van mensen en andere wezens, en creëerden innovatieve technieken om het menselijk lichaam te begrijpen of uit te zoeken waar kogels zich bevonden in gewonde soldaten.

In 1896 pasten wetenschappers de technieken al toe om erachter te komen welke soorten materie X-stralen konden passeren. Helaas zouden de buizen die röntgenstralen produceren afbreken onder de grote hoeveelheden spanning die nodig zijn voor industriële doeleinden totdat de Coolidge-buizen van de Amerikaanse fysicus-ingenieur William D. Coolidge in 1913 een wolfraamgloeidraad gebruikten voor een nauwkeurigere visualisatie in het pasgeboren veld van radiologie. Coolidges werk zou X-ray buizen stevig aarden in natuurkundig onderzoek.

Industrieel werk begon met de productie van gloeilampen, fluorescentielampen en vacuümbuizen. De fabrieken produceerden röntgenfoto's, röntgenfoto's, van stalen buizen om hun interne structuren en samenstelling te verifiëren. Tegen de jaren dertig had General Electric Company een miljoen röntgengeneratoren voor industriële radiografie geproduceerd. De American Society of Mechanical Engineers begon röntgenstralen te gebruiken om gelaste drukvaten samen te smelten.

X-ray negatieve gezondheidseffecten

Gezien de hoeveelheid energie die röntgenstralen bevatten met hun korte golflengten en hoge frequenties, omdat de maatschappij röntgenstralen omarmde in verschillende velden en disciplines, zou de blootstelling aan röntgenstralen ervoor zorgen dat mensen oogirritatie, orgaanfalen en brandwonden ervaren, soms zelfs resulterend in het verlies van ledematen en levens. Deze golflengten van het elektromagnetische spectrum kunnen chemische bindingen verbreken die mutaties in DNA of veranderingen in moleculaire structuur of cellulaire functie in levende weefsels zouden veroorzaken.

Recenter onderzoek naar röntgenfoto's heeft aangetoond dat deze mutaties en chemische afwijkingen kanker kunnen veroorzaken en wetenschappers schatten dat 0,4% van de kankers in de Verenigde Staten wordt veroorzaakt door CT-scans. Terwijl röntgenstralen in populariteit toenamen, begonnen onderzoekers niveaus van röntgendosis aan te bevelen die als veilig werden beschouwd.

Terwijl de samenleving de kracht van röntgenstralen omarmde, begonnen artsen, wetenschappers en andere professionals hun zorgen te uiten over de negatieve gezondheidseffecten van röntgenstralen. Toen onderzoekers observeerden hoe röntgenstralen door het lichaam zouden gaan zonder aandacht te schenken aan hoe de golven zich specifiek op delen van het lichaam richtten, hadden ze weinig reden om aan te nemen dat röntgenstralen gevaarlijk konden zijn.

Röntgenveiligheid

Ondanks de negatieve implicaties van röntgentechnologieën voor de menselijke gezondheid, kunnen hun effecten worden beheerst en gehandhaafd om onnodige schade of risico te voorkomen. Hoewel kanker van nature 1 op de 5 Amerikanen treft, verhoogt een CT-scan over het algemeen het risico op kanker met 0,05 procent, en sommige onderzoekers beweren dat een lage blootstelling aan röntgenstralen niet eens kan bijdragen aan het risico op kanker.

Het menselijk lichaam heeft zelfs ingebouwde manieren om schade te herstellen die wordt veroorzaakt door lage doses röntgenstralen, volgens een studie in het American Journal of Clinical Oncology, wat suggereert dat röntgenscans helemaal geen significant risico vormen.

Kinderen lopen een groter risico op hersenkanker en leukemie bij blootstelling aan röntgenstralen. Om deze reden bespreken artsen en andere professionals, wanneer een kind een röntgenscan nodig heeft, de risico's met voogden van de familie van het kind om toestemming te geven.

X-stralen op DNA

Blootstelling aan grote hoeveelheden röntgenstralen kan leiden tot braken, bloeden, flauwvallen, haarverlies en huidverlies. Ze kunnen mutaties in DNA veroorzaken omdat ze net genoeg energie hebben om bindingen tussen DNA-moleculen te verbreken.

Het is nog steeds moeilijk om te bepalen of mutaties in DNA te wijten zijn aan röntgenstraling of willekeurige mutaties van DNA zelf. Wetenschappers kunnen de aard van mutaties bestuderen, inclusief hun waarschijnlijkheid, etiologie en frequentie om te bepalen of de dubbele strengbreuken in DNA het gevolg waren van röntgenstraling of de willekeurige mutaties van DNA zelf.