Vsebina
- X-žarki kot valovi
- X-žarki kot delci
- Uporaba rentgenske energije
- X-žarki v praktičnih aplikacijah
- Rentgenski žarki v medicini
- X-ray Zgodovina: začetek
- X-ray Zgodovina: širjenje
- Rentgenski negativni vplivi na zdravje
- Varnost rentgenskih žarkov
- Rentgenski žarki na DNK
Splošno formulo za energijo posameznega fotona elektromagnetnega vala, kot je rentgen, podaja Plancsova enačba: E = hν, v kateri energija E v Joulesu je enak produktu konstante Plancks h (6.626 × 10 −34 Js) in frekvenco ν (izgovarja "nu") v enotah s_-1_. Za določeno frekvenco elektromagnetnega vala lahko s to enačbo izračunate pripadajočo energijo rentgenskih žarkov za en foton. Velja za vse oblike elektromagnetnega sevanja, vključno z vidno svetlobo, gama žarki in X-žarki.
Plancsova enačba je odvisna od valovitih lastnosti svetlobe. Če si predstavljate svetlobo kot val, kot je prikazano na zgornjem diagramu, si lahko predstavljate, da ima amplitudo, frekvenco in valovno dolžino, kot bi lahko oceanski val ali zvočni val. Amplituda meri višino enega grebena, kot je prikazano in na splošno ustreza svetlosti ali intenzivnosti vala, valovna dolžina pa meri vodoravno razdaljo, ki jo pokriva celoten cikel vala. Frekvenca je število polnih valovnih dolžin, ki vsako sekundo preidejo določeno točko.
X-žarki kot valovi
••• Syed Hussain AtherKot del elektromagnetnega spektra lahko določite frekvenco ali valovno dolžino rentgena, če poznate enega ali drugega. Podobno kot Plancksova enačba je tudi ta frekvenca ν elektromagnetnega vala se nanaša na hitrost svetlobe c, 3 x 10-8 m / s, z enačbo c = λν v kateri je λ valovna dolžina vala. Hitrost svetlobe ostaja v vseh situacijah in primerih konstantna, zato ta enačba prikazuje, kako so frekvenca in valovna dolžina elektromagnetnega vala obratno sorazmerni drug drugemu.
Na zgornjem diagramu so prikazane različne valovne dolžine različnih vrst valov. Rentgenski žarki ležijo med ultravijoličnimi (UV) in gama žarki v spektru, tako da rentgenske lastnosti valovne dolžine in frekvence padajo med njimi.
Krajše valovne dolžine kažejo na večjo energijo in pogostost, ki lahko ogroža zdravje ljudi. Sončna krema, ki preprečuje UV-žarke, zaščitni plašč in ščitniki, ki preprečujejo vstop X-žarkov na kožo, kažejo to moč. Gama žarki iz vesolja na srečo absorbirajo zemeljsko ozračje in jim preprečujejo, da bi škodovale ljudem.
Nazadnje je pogostost lahko povezana z obdobjem T v sekundah z enačbo T = 1 / f. Te rentgenske lastnosti se lahko uporabljajo tudi za druge oblike elektromagnetnega sevanja. Zlasti rentgensko sevanje kaže na te valovne lastnosti, pa tudi na delce podobne.
X-žarki kot delci
Poleg vedenja v obliki valov se rentgenski žarki obnašajo kot tok delcev, kot da en sam val rentgenskega sevanja sestoji iz enega delca za drugim, ki trči v predmete in ob trčenju absorbira, odseva ali prehaja skozi.
Ker Plancsova enačba uporablja energijo v obliki enojnih fotonov, znanstveniki pravijo, da se elektromagnetni valovi svetlobe "kvantizirajo" v te "pakete" energije. Izdelani so iz posebnih količin fotona, ki nosijo diskretne količine energije, imenovane kvant. Ko atomi absorbirajo ali oddajajo fotone, povečajo energijo ali jo izgubijo. Ta energija je lahko v obliki elektromagnetnega sevanja.
Leta 1923 je ameriški fizik William Duane razložil, kako bi rentgenski žarki v kristalih difrirali skozi ta vedenja v obliki delcev. Duane je uporabil kvantizirani prenos impulza iz geometrijske strukture difrakcijskega kristala, da je razložil, kako bi se različni rentgenski valovi obnašali pri prehodu skozi material.
Tako kot druge oblike elektromagnetnega sevanja rentgenski žarki kažejo to dvojnost valovnih delcev, ki znanstvenikom omogoča, da svoje vedenje opišejo, kot da so hkrati delci in valovi. Tečejo kot valovi z valovno dolžino in frekvenco, hkrati pa oddajajo količine delcev, kot da bi bili prameni delcev.
Uporaba rentgenske energije
Poimenovana po nemškem fiziku Maxwellu Plancku, Plancsova enačba narekuje, da se svetloba obnaša na ta valovit način, svetloba kaže tudi lastnosti, podobne delcem. Ta dvojnost svetlobe-delcev svetlobe pomeni, da čeprav je energija svetlobe odvisna od njene frekvence, še vedno prihaja v diskretnih količinah energije, ki jih narekujejo fotoni.
Ko fotoni rentgenskih žarkov pridejo v stik z različnimi materiali, nekatere od njih material absorbira, drugi pa gredo skozi. Rentgenski žarki, ki gredo skozi, zdravnikom ustvarijo notranje slike človeškega telesa.
X-žarki v praktičnih aplikacijah
Medicina, industrija in različna področja raziskav s pomočjo fizike in kemije uporabljajo rentgenske žarke na različne načine. Raziskovalci medicinskih slik uporabljajo rentgenske žarke pri ustvarjanju diagnoz za zdravljenje razmer v človeškem telesu. Radioterapija ima aplikacije pri zdravljenju raka.
Industrijski inženirji uporabljajo rentgenske žarke za zagotovitev, da imajo kovine in drugi materiali ustrezne lastnosti, potrebne za namene, kot je prepoznavanje razpok v zgradbah ali ustvarjanje struktur, ki lahko prenesejo velike količine tlaka.
Raziskave rentgenskih žarkov na sinhrotronskih napravah omogočajo podjetjem izdelavo znanstvenih instrumentov, ki se uporabljajo v spektroskopiji in slikanju.Ti sinhrotroni uporabljajo velike magnete, da upognejo svetlobo in prisilijo fotone, da prevzamejo valovne podobne poti. Ko se rentgenski žarki v teh prostorih pospešijo s krožnimi gibi, njihovo sevanje postane linearno polarizirano, da proizvede velike količine energije. Naprava nato preusmeri rentgenske žarke proti drugim pospeševalnikom in napravam za raziskovanje.
Rentgenski žarki v medicini
Uporaba rentgenskih žarkov v medicini je ustvarila povsem nove, inovativne metode zdravljenja. X-žarki so postali sestavni del procesa prepoznavanja simptomov v telesu zaradi njihove neinvazivne narave, ki bi jim omogočila diagnozo, ne da bi morali fizično vnesti v telo. X-žarki so imeli tudi prednost pri usmerjanju zdravnikov, ko so vstavljali, odstranjevali ali spreminjali medicinske pripomočke znotraj pacientov.
Obstajajo tri glavne vrste slikanja rentgenskih žarkov, ki se uporabljajo v medicini. Prva, radiografija, prikazuje skeletni sistem z le majhnimi količinami sevanja. Druga fluoroskopija omogoča strokovnjakom ogled notranjega stanja pacienta v realnem času. Medicinski raziskovalci so to uporabili za prehrano bolnikov z barijem za opazovanje delovanja prebavnega trakta in diagnosticiranje bolezni in motenj požiralnika.
Končno računalniška tomografija omogoča, da se bolniki uležejo pod optični bralnik, da ustvarijo tridimenzionalno sliko notranjih organov in struktur pacienta. Tridimenzionalne slike so združene iz številnih slik prečnega prereza, posnetih iz telesa bolnika.
X-ray Zgodovina: začetek
Nemški strojni inženir Wilhelm Conrad Roentgen je med delovanjem s katodnimi cevmi, napravo, ki je sprožila elektrone za proizvodnjo slik, odkrila rentgenske žarke. V cevi je bila uporabljena steklena ovojnica, ki je zaščitila elektrodi v vakuumu znotraj cevi. Z oddajanjem električnih tokov skozi cev je Roentgen opazoval, kako iz naprave oddajajo različne elektromagnetne valove.
Ko je Roentgen uporabil debel črn papir za zaščito cevi, je ugotovil, da cev oddaja zeleno fluorescenčno svetlobo, rentgenski žarek, ki lahko prehaja skozi papir in napaja druge materiale. Ugotovil je, da ko se nabito elektroni določene količine energije trčijo v material, nastajajo rentgenski žarki.
S poimenovanjem "rentgenskih žarkov" je Roentgen upal, da bo ujel njihovo skrivnostno, neznano naravo. Roentgen je odkril, da lahko prehaja skozi človeško tkivo, ne pa skozi kosti in kovine. Konec leta 1895 je inženir ustvaril sliko roke z uporabo rentgenskih žarkov in sliko uteži v škatli, kar je značilen podvig v zgodovini rentgenskih žarkov.
X-ray Zgodovina: širjenje
Kmalu so znanstveniki in inženirji spoznali, da je skrivnostna narava rentgenskih žarkov začela raziskovati možnosti uporabe rentgenskih žarkov. Roentgen (R) bi postala zdaj že propadla enota merjenja izpostavljenosti sevanju, ki bi bila opredeljena kot količina izpostavljenosti, potrebna za izdelavo ene same pozitivne in negativne enote elektrostatičnega naboja za suh zrak.
Kirurgi in medicinski raziskovalci so ustvarili slike notranjih skeletnih in organskih struktur ljudi in drugih bitij ustvarili inovativne tehnike razumevanja človeškega telesa ali ugotovili, kje so bile rane nabojev pri ranjenih vojakih.
Do leta 1896 so znanstveniki že uporabljali tehnike, da bi ugotovili, skozi katere vrste snovi lahko prehajajo X-žarki. Na žalost bi se cevi, ki proizvajajo rentgenske žarke, razgradile pod velikimi količinami napetosti, ki so potrebne za industrijske namene, dokler niso v hladilnih cevi ameriškega inženirja fizike iz leta 1913 William D. Coolidge uporabili volframovo filament za natančnejšo vizualizacijo na novo rojenem polju radiologija. Delo z ohladitvami bi v raziskavah fizike močno prizemljilo rentgenske cevi.
Industrijska dela so se začela s proizvodnjo žarnic, fluorescenčnih sijalk in vakuumskih cevi. V proizvodnih obratih so jeklene cevi izdelali radiograme, rentgenske slike, da bi preverili njihove notranje strukture in sestavo. Družba General Electric je v tridesetih letih prejšnjega stoletja izdelala milijon rentgenskih generatorjev za industrijsko radiografijo. Ameriško društvo strojnih inženirjev je začelo uporabljati rentgenske žarke za spajanje varjenih tlačnih posod skupaj.
Rentgenski negativni vplivi na zdravje
Glede na to, koliko energijskih rentgenskih žarkov nabirajo kratke valovne dolžine in visoke frekvence, ko družba sprejema rentgenske žarke na različnih področjih in disciplinah, bi izpostavljenost rentgenskih žarkov pri posameznikih povzročila draženje oči, odpoved organov in opekline kože, včasih celo kar ima za posledico izgubo okončin in življenj. Te valovne dolžine elektromagnetnega spektra lahko prekinejo kemične vezi, ki bi povzročile mutacije v DNK ali spremembe v molekularni strukturi ali celični funkciji v živih tkivih.
Novejše raziskave rentgenskih žarkov so pokazale, da lahko te mutacije in kemične aberacije povzročijo raka, znanstveniki pa ocenjujejo, da 0,4% raka v ZDA povzroči CT. Ko so rentgenski žarki naraščali, so raziskovalci začeli priporočati raven odmerjanja rentgenskih žarkov, ki se jim je zdelo varno.
Ko je družba sprejela moč rentgenskih žarkov, so zdravniki, znanstveniki in drugi strokovnjaki začeli izražati zaskrbljenost zaradi negativnih vplivov rentgenskih žarkov na zdravje. Ko so raziskovalci opazovali, kako bodo rentgenski žarki prehajali skozi telo, ne da bi pozorno spremljali, kako valovi ciljajo na določena področja telesa, so imeli malo razloga, da bi lahko verjeli, da so rentgenski žarki nevarni.
Varnost rentgenskih žarkov
Kljub negativnim vplivom rentgenskih tehnologij na zdravje ljudi lahko njihove učinke nadziramo in vzdržujemo, da preprečimo nepotrebno škodo ali tveganje. Medtem ko rak naravno prizadene enega od petih Američanov, CT s tveganjem na splošno poveča tveganje za raka za 0,05 odstotka, nekateri raziskovalci pa trdijo, da nizka izpostavljenost rentgenskim žarkom morda niti ne prispeva k tveganju za raka.
Človeško telo ima celo vgrajene načine popravljanja škode, ki jo povzročijo majhni odmerki rentgenskih žarkov, kaže raziskava ameriškega časopisa za klinično onkologijo, ki kaže, da rentgenske preiskave sploh ne predstavljajo večjega tveganja.
Otroci so izpostavljeni večjim tveganjem za možganski rak in levkemijo, kadar so izpostavljeni rentgenom. Zaradi tega lahko zdravniki in drugi strokovnjaki, kadar otrok zahteva rentgenski pregled, o skrbnikih razpravljajo s skrbniki otroške družine.
Rentgenski žarki na DNK
Izpostavljenost velikim količinam rentgenskih žarkov lahko povzroči bruhanje, krvavitve, omedlevice, izgubo las in izgubo kože. Lahko povzročijo mutacije v DNK, ker imajo ravno dovolj energije, da prekinejo vezi med molekulami DNK.
Še vedno je težko ugotoviti, ali so mutacije v DNK posledica rentgenskega sevanja ali naključne mutacije same DNK. Znanstveniki lahko preučijo naravo mutacij, vključno z njihovo verjetnostjo, etiologijo in pogostostjo, da ugotovijo, ali so bili dvojni prameni DNK posledica rentgenskega sevanja ali naključnih mutacij same DNK.