Cách tính năng lượng tia X

NộI Dung

• X-quang như sóng
• Tia X là hạt
• Sử dụng năng lượng tia X
• X-quang trong các ứng dụng thực tế
• X-quang trong y học
• Lịch sử X-quang: Khởi đầu
• Lịch sử X-quang: Lan truyền
• Ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe của tia X
• An toàn tia X
• X-quang trên DNA

Công thức chung cho năng lượng của một photon đơn lẻ của sóng điện từ như tia X được đưa ra bởi Phương trình Plancks: E = hv, trong đó năng lượng E trong Joules bằng với tích của hằng số Plancks h (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) và tần số ν (phát âm là "nu") theo đơn vị s_^-1_. Đối với một tần số nhất định của sóng điện từ, bạn có thể tính năng lượng tia X liên quan cho một photon đơn lẻ bằng phương trình này. Nó áp dụng cho tất cả các dạng bức xạ điện từ bao gồm ánh sáng nhìn thấy, tia gamma và tia X.

••• Syed Hussain Ather

Phương trình Plancks phụ thuộc vào tính chất bước sóng của ánh sáng. Nếu bạn tưởng tượng ánh sáng là một sóng như trong sơ đồ trên, bạn có thể tưởng tượng nó có biên độ, tần số và bước sóng giống như sóng biển hoặc sóng âm. Biên độ đo chiều cao của một đỉnh như được hiển thị và thường tương ứng với độ sáng hoặc cường độ của sóng và bước sóng đo khoảng cách ngang mà một chu kỳ của sóng bao trùm. Tần số là số bước sóng đầy đủ đi qua một điểm cho trước mỗi giây.

X-quang như sóng

••• Syed Hussain Ather

Là một phần của phổ điện từ, bạn có thể xác định tần số hoặc bước sóng của tia X khi bạn biết cái này hay cái kia. Tương tự như phương trình Plancks, tần số này ν của sóng điện từ liên quan đến tốc độ ánh sáng c, 3 x 10^-8 m / s, với phương trình c = λλ trong đó λ là bước sóng của sóng. Tốc độ của ánh sáng không đổi trong mọi tình huống và ví dụ, vì vậy phương trình này cho thấy tần số và bước sóng của sóng điện từ tỷ lệ nghịch với nhau như thế nào.

Trong sơ đồ trên, các bước sóng khác nhau của các loại sóng khác nhau được hiển thị. Tia X nằm giữa tia cực tím (UV) và tia gamma trong quang phổ nên tính chất tia X của bước sóng và tần số rơi giữa chúng.

Bước sóng ngắn hơn cho thấy năng lượng và tần số lớn hơn có thể gây rủi ro cho sức khỏe con người. Kem chống nắng ngăn chặn tia UV và áo khoác bảo vệ và lá chắn chì ngăn tia X xâm nhập vào da chứng tỏ sức mạnh này. Tia gamma từ ngoài vũ trụ may mắn được khí quyển Trái đất hấp thụ, ngăn chúng làm hại con người.

Cuối cùng, tần số có thể liên quan đến thời gian T tính bằng giây với phương trình T = 1 / f. Các tính chất tia X này cũng có thể áp dụng cho các dạng bức xạ điện từ khác. Bức xạ tia X đặc biệt cho thấy các tính chất bước sóng này, nhưng cũng có tính chất giống như hạt.

Tia X là hạt

Ngoài các hành vi giống như sóng, tia X hành xử giống như một dòng các hạt như thể một sóng tia X bao gồm một hạt sau khi một hạt khác va chạm với các vật thể và khi va chạm, hấp thụ, phản xạ hoặc đi qua.

Do phương trình Plancks sử dụng năng lượng dưới dạng các photon đơn lẻ, các nhà khoa học cho rằng sóng ánh sáng điện từ được "lượng tử hóa" thành các "gói" năng lượng này. Chúng được tạo thành từ một lượng photon cụ thể mang lượng năng lượng riêng biệt gọi là lượng tử. Khi các nguyên tử hấp thụ hoặc phát ra photon, chúng sẽ tăng năng lượng hoặc mất đi năng lượng. Năng lượng này có thể ở dạng bức xạ điện từ.

Năm 1923, nhà vật lý người Mỹ William Duane đã giải thích cách tia X sẽ nhiễu xạ trong các tinh thể thông qua các hành vi giống như hạt này. Duane đã sử dụng sự truyền động lượng tử hóa từ cấu trúc hình học của tinh thể nhiễu xạ để giải thích các sóng tia X khác nhau sẽ hoạt động như thế nào khi đi qua vật liệu.

Tia X, giống như các dạng bức xạ điện từ khác thể hiện tính đối ngẫu hạt sóng này cho phép các nhà khoa học mô tả hành vi của chúng như thể cả hai hạt và sóng đồng thời. Chúng chảy như sóng với bước sóng và tần số trong khi phát ra một lượng hạt như thể chúng là chùm hạt.

Sử dụng năng lượng tia X

Được đặt theo tên nhà vật lý người Đức Maxwell Planck, phương trình Plancks cho rằng ánh sáng hành xử theo cách giống như sóng này, ánh sáng cũng cho thấy các tính chất giống như hạt. Nhị nguyên hạt sóng này của ánh sáng có nghĩa là, mặc dù năng lượng của ánh sáng phụ thuộc vào tần số của nó, nó vẫn có một lượng năng lượng riêng biệt được quyết định bởi các photon.

Khi các photon của tia X tiếp xúc với các vật liệu khác nhau, một số trong số chúng bị vật liệu hấp thụ trong khi một số khác đi qua. Các tia X đi qua cho phép các bác sĩ tạo ra hình ảnh bên trong cơ thể con người.

X-quang trong các ứng dụng thực tế

Y học, công nghiệp và các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau thông qua vật lý và hóa học sử dụng tia X theo những cách khác nhau. Các nhà nghiên cứu hình ảnh y tế sử dụng tia X trong việc tạo ra các chẩn đoán để điều trị các tình trạng trong cơ thể con người. Xạ trị có ứng dụng trong điều trị ung thư.

Các kỹ sư công nghiệp sử dụng tia X để đảm bảo kim loại và các vật liệu khác có các tính chất phù hợp cần thiết cho các mục đích như xác định vết nứt trong các tòa nhà hoặc tạo ra các cấu trúc có thể chịu được áp lực lớn.

Nghiên cứu về tia X tại các cơ sở synchrotron cho phép các công ty sản xuất các dụng cụ khoa học được sử dụng trong quang phổ và hình ảnh.Các synchrotron này sử dụng nam châm lớn để bẻ cong ánh sáng và buộc các photon đi theo quỹ đạo bước sóng Khi tia X được gia tốc theo chuyển động tròn tại các cơ sở này, bức xạ của chúng bị phân cực tuyến tính để tạo ra năng lượng lớn. Sau đó, máy chuyển hướng tia X về phía các máy gia tốc và phương tiện khác để nghiên cứu.

X-quang trong y học

Các ứng dụng của tia X trong y học đã tạo ra các phương pháp điều trị hoàn toàn mới, sáng tạo. Tia X trở thành không thể thiếu trong quá trình xác định các triệu chứng trong cơ thể thông qua bản chất không xâm lấn của chúng sẽ cho phép chúng chẩn đoán mà không cần phải xâm nhập vào cơ thể. X-quang cũng có lợi thế của các bác sĩ hướng dẫn khi họ chèn, tháo hoặc sửa đổi các thiết bị y tế trong bệnh nhân.

Có ba loại hình ảnh tia X chính được sử dụng trong y học. Đầu tiên, chụp X quang, hình ảnh hệ thống xương chỉ với một lượng nhỏ phóng xạ. Thứ hai, fluoroscopy, cho phép các chuyên gia xem trạng thái bên trong của bệnh nhân trong thời gian thực. Các nhà nghiên cứu y tế đã sử dụng điều này để nuôi bệnh nhân barium để quan sát hoạt động của đường tiêu hóa của họ và chẩn đoán các bệnh và rối loạn thực quản.

Cuối cùng, chụp cắt lớp điện toán cho phép bệnh nhân nằm xuống bên dưới máy quét hình vòng để tạo ra hình ảnh ba chiều của các cơ quan nội tạng và cấu trúc của bệnh nhân. Các hình ảnh ba chiều được tổng hợp với nhau từ nhiều hình ảnh cắt ngang được chụp từ cơ thể bệnh nhân.

Lịch sử X-quang: Khởi đầu

Kỹ sư cơ khí người Đức, ông Wilhelm Conrad Roentgen đã phát hiện ra tia X khi ông đang làm việc với các ống tia âm cực, một thiết bị bắn các electron để tạo ra hình ảnh. Các ống sử dụng một phong bì thủy tinh bảo vệ các điện cực trong chân không bên trong ống. Bằng cách đưa dòng điện qua ống, Roentgen quan sát cách các sóng điện từ khác nhau được phát ra từ thiết bị.

Khi Roentgen sử dụng một tờ giấy đen dày để bảo vệ ống, anh ta thấy rằng ống phát ra ánh sáng huỳnh quang màu xanh lá cây, tia X, có thể xuyên qua giấy và cung cấp năng lượng cho các vật liệu khác. Ông phát hiện ra rằng, khi các electron tích điện của một lượng năng lượng nhất định sẽ va chạm với vật chất, tia X được tạo ra.

Đặt tên cho chúng là "tia X", Roentgen hy vọng sẽ nắm bắt được bản chất bí ẩn, chưa biết của chúng. Roentgen phát hiện ra nó có thể đi qua mô người, nhưng không qua xương cũng như kim loại. Vào cuối năm 1895, kỹ sư đã tạo ra một hình ảnh bàn tay của người phụ nữ của mình bằng cách sử dụng tia X cũng như hình ảnh của trọng lượng trong một hộp, một kỳ tích đáng chú ý trong lịch sử tia X.

Lịch sử X-quang: Lan truyền

Chẳng mấy chốc, các nhà khoa học và kỹ sư đã trở nên quyến rũ bởi bản chất bí ẩn của tia X bắt đầu khám phá khả năng sử dụng tia X. Các roentgen (R) sẽ trở thành một đơn vị đo phơi nhiễm bức xạ hiện không còn tồn tại, được định nghĩa là lượng phơi nhiễm cần thiết để tạo ra một đơn vị điện tích dương và âm duy nhất cho không khí khô.

Tạo ra hình ảnh cấu trúc cơ quan và nội tạng của con người và các sinh vật khác, các bác sĩ phẫu thuật và nhà nghiên cứu y học đã tạo ra các kỹ thuật sáng tạo để hiểu cơ thể con người hoặc tìm ra nơi đặt viên đạn vào những người lính bị thương.

Đến năm 1896, các nhà khoa học đã áp dụng các kỹ thuật để tìm ra loại vật chất nào mà tia X có thể đi qua. Thật không may, các ống tạo ra tia X sẽ bị phá vỡ dưới một lượng điện áp lớn cần thiết cho các mục đích công nghiệp cho đến khi ống Coolidge năm 1913 của kỹ sư vật lý người Mỹ William D. Coolidge sử dụng dây tóc vonfram để hình dung chính xác hơn trong lĩnh vực mới được sinh ra phóng xạ học. Máy làm mát sẽ làm vững chắc các ống tia X trong nghiên cứu vật lý.

Công việc công nghiệp cất cánh với việc sản xuất bóng đèn, đèn huỳnh quang và ống chân không. Các nhà máy sản xuất đã sản xuất máy X quang, hình ảnh tia X, của ống thép để xác minh cấu trúc và thành phần bên trong của chúng. Vào những năm 1930, Công ty General Electric đã sản xuất một triệu máy phát tia X cho chụp X quang công nghiệp. Hiệp hội kỹ sư cơ khí Hoa Kỳ bắt đầu sử dụng tia X để hợp nhất các bình chịu áp lực hàn với nhau.

Ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe của tia X

Cho biết bao nhiêu tia X năng lượng với bước sóng ngắn và tần số cao của chúng, khi xã hội chấp nhận tia X trong các lĩnh vực và ngành học khác nhau, việc tiếp xúc với tia X sẽ khiến các cá nhân bị kích ứng mắt, suy nội tạng và bỏng da, đôi khi dẫn đến mất chân tay và cuộc sống. Những bước sóng của phổ điện từ này có thể phá vỡ các liên kết hóa học gây đột biến DNA hoặc thay đổi cấu trúc phân tử hoặc chức năng tế bào trong các mô sống.

Nghiên cứu gần đây hơn về tia X đã chỉ ra rằng những đột biến và quang sai hóa học này có thể gây ung thư và các nhà khoa học ước tính 0,4% bệnh ung thư ở Hoa Kỳ là do quét CT. Khi tia X tăng phổ biến, các nhà nghiên cứu bắt đầu khuyến nghị mức độ liều lượng tia X được coi là an toàn.

Khi xã hội nắm lấy sức mạnh của tia X, các bác sĩ, nhà khoa học và các chuyên gia khác bắt đầu bày tỏ mối quan tâm của họ về ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe của tia X. Khi các nhà nghiên cứu quan sát cách tia X đi qua cơ thể mà không chú ý đến cách sóng đặc biệt nhắm vào các khu vực của cơ thể, họ không có nhiều lý do để tin rằng tia X có thể nguy hiểm.

An toàn tia X

Bất chấp những tác động tiêu cực của công nghệ X-quang đối với sức khỏe con người, tác động của chúng có thể được kiểm soát và duy trì để ngăn ngừa tác hại hoặc rủi ro không cần thiết. Mặc dù ung thư ảnh hưởng tự nhiên đến 1 trong 5 người Mỹ, nhưng CT scan thường làm tăng nguy cơ ung thư lên 0,05% và một số nhà nghiên cứu cho rằng phơi nhiễm tia X thấp thậm chí có thể không gây ra nguy cơ ung thư.

Theo một nghiên cứu trên Tạp chí Ung thư lâm sàng Hoa Kỳ, cơ thể con người thậm chí còn có các cách sửa chữa thiệt hại gây ra bởi liều lượng tia X thấp, cho thấy quét tia X không gây ra bất kỳ rủi ro đáng kể nào.

Trẻ em có nguy cơ mắc ung thư não và bệnh bạch cầu cao hơn khi tiếp xúc với tia X. Vì lý do này, khi một đứa trẻ có thể yêu cầu chụp X-quang, các bác sĩ và các chuyên gia khác thảo luận về các rủi ro với người giám hộ của gia đình trẻ để đưa ra sự đồng ý.

X-quang trên DNA

Tiếp xúc với lượng tia X cao có thể dẫn đến nôn mửa, chảy máu, ngất, rụng tóc và rụng da. Chúng có thể gây đột biến DNA vì chúng có đủ năng lượng để phá vỡ liên kết giữa các phân tử DNA.

Vẫn còn khó xác định liệu đột biến DNA là do bức xạ tia X hay đột biến ngẫu nhiên của chính DNA. Các nhà khoa học có thể nghiên cứu bản chất của các đột biến bao gồm xác suất, nguyên nhân và tần số của chúng để xác định xem sự phá vỡ chuỗi kép trong DNA là kết quả của bức xạ tia X hay đột biến ngẫu nhiên của chính DNA.