Berechnung der Röntgenenergie

Inhalt

• Röntgenstrahlen als Wellen
• Röntgenstrahlen als Partikel
• Röntgenenergie nutzen
• Röntgenstrahlen in der Praxis
• Röntgenstrahlen in der Medizin
• Röntgengeschichte: Inception
• Röntgenanamnese: Verbreitung
• Negative Auswirkungen auf die Gesundheit durch Röntgenstrahlen
• Röntgensicherheit
• Röntgenstrahlen auf DNA

Die allgemeine Formel für die Energie eines einzelnen Photons einer elektromagnetischen Welle wie Röntgenstrahlung ist gegeben durch Plancks-Gleichung: E = hν, in welcher Energie E in Joules ist gleich dem Produkt der Plancks-Konstante h (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) und die Frequenz ν (ausgesprochen "nu") in Einheiten von s_^-1_. Mit dieser Gleichung können Sie für eine gegebene Frequenz einer elektromagnetischen Welle die zugehörige Röntgenenergie für ein einzelnes Photon berechnen. Es gilt für alle Formen elektromagnetischer Strahlung, einschließlich sichtbares Licht, Gammastrahlen und Röntgenstrahlen.

••• Syed Hussain Ather

Die Plancks-Gleichung hängt von den wellenförmigen Eigenschaften des Lichts ab. Wenn Sie sich Licht als Welle vorstellen, wie im obigen Diagramm gezeigt, können Sie sich vorstellen, dass es eine Amplitude, Frequenz und Wellenlänge hat, genau wie eine Ozeanwelle oder eine Schallwelle. Die Amplitude misst die Höhe eines Kamms wie gezeigt und entspricht im Allgemeinen der Helligkeit oder Intensität der Welle, und die Wellenlänge misst die horizontale Entfernung, die ein vollständiger Zyklus der Welle zurücklegt. Die Frequenz ist die Anzahl der vollen Wellenlängen, die pro Sekunde an einem bestimmten Punkt vorbeiziehen.

Röntgenstrahlen als Wellen

••• Syed Hussain Ather

Als Teil des elektromagnetischen Spektrums können Sie entweder die Frequenz oder die Wellenlänge eines Röntgenstrahls bestimmen, wenn Sie den einen oder den anderen kennen. Ähnlich wie bei der Plancks-Gleichung ist diese Frequenz ν einer elektromagnetischen Welle bezieht sich auf die Lichtgeschwindigkeit c3 x 10^-8 m / s mit der Gleichung c = λν worin λ die Wellenlänge der Welle ist. Die Lichtgeschwindigkeit bleibt in allen Situationen und Beispielen konstant, daher zeigt diese Gleichung, wie Frequenz und Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle umgekehrt proportional zueinander sind.

Im obigen Diagramm sind die verschiedenen Wellenlängen verschiedener Wellentypen dargestellt. Röntgenstrahlen liegen zwischen ultravioletten (UV) und Gammastrahlen im Spektrum, so dass die Röntgenstrahlungseigenschaften von Wellenlänge und Frequenz zwischen ihnen liegen.

Kürzere Wellenlängen weisen auf eine höhere Energie und Frequenz hin, die die menschliche Gesundheit gefährden können. Sonnenschutzmittel, die vor UV-Strahlen schützen, sowie Schutzschichten und Bleiabschirmungen, die das Eindringen von Röntgenstrahlen in die Haut verhindern, demonstrieren diese Kraft. Gammastrahlen aus dem Weltraum werden zum Glück von der Erdatmosphäre absorbiert und verhindern so, dass sie Menschen Schaden zufügen.

Schließlich kann die Häufigkeit auf die Periode bezogen werden T in Sekunden mit der Gleichung T = 1 / f. Diese Röntgeneigenschaften können auch für andere Formen elektromagnetischer Strahlung gelten. Insbesondere Röntgenstrahlung zeigt diese wellenartigen, aber auch partikelartigen Eigenschaften.

Röntgenstrahlen als Partikel

Zusätzlich zu wellenartigem Verhalten verhalten sich Röntgenstrahlen wie ein Partikelstrom, als bestünde eine einzelne Welle eines Röntgenstrahls aus einem Partikel nach dem anderen, der mit Objekten kollidiert und bei Kollision absorbiert, reflektiert oder durchläuft.

Da die Plancks-Gleichung Energie in Form von einzelnen Photonen verwendet, sagen Wissenschaftler, dass elektromagnetische Lichtwellen in diese "Energiepakete" "quantisiert" werden. Sie bestehen aus bestimmten Photonenmengen, die diskrete Energiemengen tragen, die als Quanten bezeichnet werden. Wenn Atome Photonen absorbieren oder emittieren, nehmen sie an Energie zu oder verlieren sie. Diese Energie kann in Form von elektromagnetischer Strahlung vorliegen.

Der amerikanische Physiker William Duane erklärte 1923, wie Röntgenstrahlen durch dieses partikelähnliche Verhalten in Kristallen gebeugt werden. Duane verwendete den quantisierten Impulsübertrag aus der geometrischen Struktur des Beugungskristalls, um zu erklären, wie sich unterschiedliche Röntgenwellen beim Durchgang durch das Material verhalten würden.

Röntgenstrahlen weisen wie andere Formen elektromagnetischer Strahlung diese Welle-Teilchen-Dualität auf, die es Wissenschaftlern ermöglicht, ihr Verhalten so zu beschreiben, als wären sie gleichzeitig Teilchen und Wellen. Sie fließen wie Wellen mit einer Wellenlänge und einer Frequenz, während sie Partikelmengen aussenden, als wären sie Teilchenstrahlen.

Röntgenenergie nutzen

Die nach dem deutschen Physiker Maxwell Planck benannte Plancks-Gleichung gibt vor, dass sich Licht auf diese wellenförmige Weise verhält, und dass Licht auch partikelähnliche Eigenschaften aufweist. Diese Wellen-Teilchen-Dualität des Lichts bedeutet, dass die Energie des Lichts, obwohl sie von seiner Frequenz abhängt, immer noch in diskreten Energiemengen vorliegt, die von Photonen vorgegeben werden.

Wenn die Röntgenphotonen mit verschiedenen Materialien in Kontakt kommen, werden einige von ihnen vom Material absorbiert, während andere hindurchtreten. Die Röntgenstrahlen, die durchgelassen werden, lassen Ärzte innere Bilder des menschlichen Körpers erzeugen.

Röntgenstrahlen in der Praxis

Medizin, Industrie und verschiedene Bereiche der Forschung in Physik und Chemie setzen Röntgenstrahlen auf unterschiedliche Weise ein. Medizinische Bildgebungsforscher verwenden Röntgenstrahlen bei der Erstellung von Diagnosen zur Behandlung von Zuständen im menschlichen Körper. Strahlentherapie hat Anwendungen in der Krebsbehandlung.

Wirtschaftsingenieure verwenden Röntgenstrahlen, um sicherzustellen, dass Metalle und andere Materialien die geeigneten Eigenschaften aufweisen, die zum Beispiel zum Erkennen von Rissen in Gebäuden oder zum Erstellen von Strukturen erforderlich sind, die großen Belastungen standhalten.

Durch die Erforschung von Röntgenstrahlen in Synchrotronanlagen können Unternehmen wissenschaftliche Instrumente für die Spektroskopie und Bildgebung herstellen.Diese Synchrotrons verwenden große Magnete, um Licht zu biegen und die Photonen zu zwingen, wellenförmige Bahnen zu nehmen. Wenn Röntgenstrahlen in diesen Einrichtungen in Kreisbewegungen beschleunigt werden, wird ihre Strahlung linear polarisiert, um große Mengen an Leistung zu erzeugen. Die Maschine leitet die Röntgenstrahlen dann zu anderen Beschleunigern und Einrichtungen für die Forschung um.

Röntgenstrahlen in der Medizin

Die Anwendung von Röntgenstrahlen in der Medizin führte zu völlig neuen, innovativen Behandlungsmethoden. Röntgenstrahlen wurden durch ihre nicht-invasive Natur, die es ihnen ermöglichte, zu diagnostizieren, ohne dass sie physisch in den Körper eindringen mussten, zu einem integralen Bestandteil des Prozesses der Identifizierung von Symptomen im Körper. Röntgenstrahlen hatten auch den Vorteil, Ärzte beim Einsetzen, Entfernen oder Verändern von Medizinprodukten in Patienten zu leiten.

Es gibt drei Haupttypen von Röntgenbildern, die in der Medizin verwendet werden. Die erste, die Radiographie, bildet das Skelettsystem mit nur geringen Strahlungsmengen ab. Die zweite Methode, die Fluoroskopie, ermöglicht es Fachleuten, den inneren Zustand eines Patienten in Echtzeit anzuzeigen. Medizinische Forscher haben dies verwendet, um Patienten Barium zu füttern, um die Funktionsweise ihres Verdauungstrakts zu beobachten und Krankheiten und Störungen der Speiseröhre zu diagnostizieren.

Bei der Computertomographie können sich die Patienten schließlich unter einen ringförmigen Scanner legen, um ein dreidimensionales Bild der inneren Organe und Strukturen des Patienten zu erstellen. Die dreidimensionalen Bilder werden aus vielen Querschnittsbildern, die vom Körper des Patienten aufgenommen wurden, zusammengefügt.

Röntgengeschichte: Inception

Der deutsche Maschinenbauingenieur Wilhelm Conrad Roentgen entdeckte Röntgenstrahlen, als er mit Kathodenstrahlröhren arbeitete, einem Gerät, das Elektronen abfeuerte, um Bilder zu erzeugen. Die Röhre verwendete eine Glashülle, die die Elektroden in einem Vakuum innerhalb der Röhre schützte. Röntgen beobachtete, wie unterschiedliche elektromagnetische Wellen von dem Gerät abgestrahlt wurden, indem elektrische Ströme durch die Röhre geleitet wurden.

Als Röntgen ein dickes schwarzes Papier verwendete, um die Röhre zu schützen, stellte er fest, dass die Röhre ein grünes fluoreszierendes Licht emittierte, eine Röntgenstrahlung, die durch das Papier hindurchtreten und andere Materialien mit Energie versorgen konnte. Er fand heraus, dass, wenn geladene Elektronen einer bestimmten Energiemenge mit Material kollidieren würden, Röntgenstrahlen erzeugt wurden.

Röntgen nannte sie "Röntgenstrahlen" und hoffte, ihre mysteriöse, unbekannte Natur einfangen zu können. Röntgen entdeckte, dass es menschliches Gewebe passieren konnte, aber weder Knochen noch Metall. Ende 1895 schuf der Ingenieur mit Hilfe der Röntgenstrahlen ein Bild der Hand seiner Frau sowie ein Bild der Gewichte in einer Schachtel, eine bemerkenswerte Leistung in der Geschichte der Röntgenstrahlen.

Röntgenanamnese: Verbreitung

Bald wurden Wissenschaftler und Ingenieure von der mysteriösen Natur der Röntgenstrahlen angezogen, die die Möglichkeiten für die Verwendung von Röntgenstrahlen erforschten. Der Röntgen (R) würde zu einer nicht mehr existierenden Einheit für die Messung der Strahlenexposition, die als die Menge der Exposition definiert wird, die erforderlich ist, um eine einzige positive und negative Einheit der elektrostatischen Aufladung für trockene Luft zu erzeugen.

Chirurgen und medizinische Forscher stellten Bilder der inneren Skelett- und Organstrukturen von Menschen und anderen Lebewesen her und entwickelten innovative Techniken, um den menschlichen Körper zu verstehen oder herauszufinden, wo sich Kugeln in verwundeten Soldaten befanden.

Bereits 1896 verwendeten Wissenschaftler die Techniken, um herauszufinden, welche Arten von Materie Röntgenstrahlen passieren könnten. Leider würden die Röhren, die Röntgenstrahlen erzeugen, unter der für industrielle Zwecke erforderlichen hohen Spannung zusammenbrechen, bis die Coolidge-Röhren des amerikanischen Physiker-Ingenieurs William D. Coolidge aus dem Jahr 1913 ein Wolframfilament für eine genauere Visualisierung auf dem neugeborenen Gebiet von verwendeten Radiologie. Die Arbeit von Coolidges würde Röntgenröhren in der Physikforschung fest verankern.

Die industrielle Arbeit begann mit der Produktion von Glühlampen, Leuchtstofflampen und Vakuumröhren. In Produktionsstätten wurden Röntgenbilder von Stahlrohren angefertigt, um deren innere Struktur und Zusammensetzung zu überprüfen. In den 1930er Jahren hatte die General Electric Company eine Million Röntgengeneratoren für die industrielle Radiographie hergestellt. Die American Society of Mechanical Engineers begann mit der Verwendung von Röntgenstrahlen, um geschweißte Druckbehälter miteinander zu verschmelzen.

Negative Auswirkungen auf die Gesundheit durch Röntgenstrahlen

Angesichts der energetischen Belastung von Röntgenstrahlen mit ihren kurzen Wellenlängen und hohen Frequenzen, die die Gesellschaft mit Röntgenstrahlen in verschiedenen Bereichen und Disziplinen verband, verursachte die Exposition gegenüber Röntgenstrahlen Augenreizungen, Organversagen und manchmal sogar Hautverbrennungen was zum Verlust von Gliedmaßen und Leben führt. Diese Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums könnten chemische Bindungen aufbrechen, die zu Mutationen in der DNA oder zu Änderungen der Molekülstruktur oder der Zellfunktion in lebenden Geweben führen würden.

Neuere Untersuchungen an Röntgenstrahlen haben gezeigt, dass diese Mutationen und chemischen Aberrationen Krebs verursachen können, und Wissenschaftler schätzen, dass 0,4% der Krebserkrankungen in den USA durch CT-Scans verursacht werden. Mit zunehmender Beliebtheit von Röntgenstrahlen empfahlen die Forscher Dosierungsmengen für Röntgenstrahlen, die als sicher eingestuft wurden.

Als die Gesellschaft die Kraft der Röntgenstrahlung erkannte, äußerten Ärzte, Wissenschaftler und andere Fachleute ihre Besorgnis über die negativen Auswirkungen der Röntgenstrahlung auf die Gesundheit. Als die Forscher beobachteten, wie Röntgenstrahlen den Körper durchdringen würden, ohne genau darauf zu achten, wie die Wellen auf bestimmte Körperbereiche gerichtet waren, hatten sie wenig Grund zu der Annahme, dass Röntgenstrahlen gefährlich sein könnten.

Röntgensicherheit

Trotz der negativen Auswirkungen von Röntgentechnologien auf die menschliche Gesundheit können ihre Auswirkungen kontrolliert und aufrechterhalten werden, um unnötige Schäden oder Risiken zu vermeiden. Während Krebs natürlich jeden fünften Amerikaner betrifft, erhöht ein CT-Scan das Krebsrisiko im Allgemeinen um 0,05 Prozent, und einige Forscher argumentieren, dass eine geringe Röntgenexposition möglicherweise nicht einmal zu einem Krebsrisiko eines Menschen beiträgt.

Laut einer Studie im American Journal of Clinical Oncology hat der menschliche Körper sogar Möglichkeiten zur Reparatur von Schäden eingebaut, die durch geringe Dosierungen von Röntgenstrahlen verursacht werden, was darauf hindeutet, dass Röntgenaufnahmen überhaupt kein signifikantes Risiko darstellen.

Kinder sind einem höheren Risiko für Hirntumor und Leukämie ausgesetzt, wenn sie Röntgenstrahlen ausgesetzt sind. Wenn ein Kind einen Röntgenscan benötigt, besprechen Ärzte und andere Fachkräfte die Risiken aus diesem Grund mit den Erziehungsberechtigten der Familie des Kindes, um die Einwilligung zu erteilen.

Röntgenstrahlen auf DNA

Das Aussetzen von Röntgenstrahlen in großen Mengen kann zu Erbrechen, Blutungen, Ohnmacht, Haarausfall und Hautverlust führen. Sie können Mutationen in der DNA verursachen, weil sie gerade genug Energie haben, um Bindungen zwischen DNA-Molekülen aufzubrechen.

Es ist immer noch schwierig festzustellen, ob DNA-Mutationen auf Röntgenstrahlung oder zufällige DNA-Mutationen zurückzuführen sind. Wissenschaftler können die Natur von Mutationen einschließlich ihrer Wahrscheinlichkeit, Ätiologie und Häufigkeit untersuchen, um zu bestimmen, ob die Doppelstrangbrüche in der DNA das Ergebnis von Röntgenstrahlung oder zufälligen Mutationen der DNA selbst waren.