Cara Menghitung Energi Sinar-X

Isi

• Sinar-X sebagai Gelombang
• Sinar-X sebagai Partikel
• Menggunakan Energi Sinar-X
• Sinar-X pada Aplikasi Praktis
• Sinar-X dalam Kedokteran
• X-ray History: Inception
• X-ray History: Spread
• Efek Kesehatan Negatif sinar-X
• Keamanan X-ray
• Sinar-X pada DNA

Rumus umum untuk energi foton tunggal dari gelombang elektromagnetik seperti sinar-X diberikan oleh Persamaan Plancks: E = hν, di mana energi E di Joules sama dengan produk konstanta Plancks h (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) dan frekuensinya ν (diucapkan "nu") dalam satuan s_^-1_. Untuk frekuensi tertentu dari gelombang elektromagnetik, Anda dapat menghitung energi sinar-X terkait untuk satu foton menggunakan persamaan ini. Ini berlaku untuk semua bentuk radiasi elektromagnetik termasuk cahaya tampak, sinar gamma, dan sinar-X.

••• Syed Hussain Ather

Persamaan Plancks tergantung pada sifat cahaya seperti gelombang. Jika Anda membayangkan cahaya sebagai gelombang seperti yang ditunjukkan pada diagram di atas, Anda dapat membayangkannya memiliki amplitudo, frekuensi, dan panjang gelombang sama seperti gelombang laut atau gelombang suara. Amplitudo mengukur ketinggian satu puncak seperti yang ditunjukkan dan umumnya sesuai dengan kecerahan atau intensitas gelombang, dan panjang gelombang mengukur jarak horizontal yang melingkupi siklus penuh gelombang. Frekuensi adalah jumlah panjang gelombang penuh yang melewati titik tertentu setiap detik.

Sinar-X sebagai Gelombang

••• Syed Hussain Ather

Sebagai bagian dari spektrum elektromagnetik, Anda dapat menentukan frekuensi atau panjang gelombang sinar-X ketika Anda mengetahui satu atau yang lainnya. Mirip dengan persamaan Plancks, frekuensi ini ν gelombang elektromagnetik berkaitan dengan kecepatan cahaya c, 3 x 10^-8 m / s, dengan persamaan c = λν di mana λ adalah panjang gelombang gelombang. Kecepatan cahaya tetap konstan dalam semua situasi dan contoh, sehingga persamaan ini menunjukkan bagaimana frekuensi dan panjang gelombang gelombang elektromagnetik berbanding terbalik satu sama lain.

Dalam diagram di atas, berbagai panjang gelombang dari berbagai jenis gelombang ditampilkan. Sinar-X terletak di antara ultraviolet (UV) dan sinar gamma dalam spektrum sehingga sifat sinar-X dari panjang gelombang dan frekuensi jatuh di antara mereka.

Panjang gelombang yang lebih pendek menunjukkan energi dan frekuensi yang lebih besar yang dapat menimbulkan risiko bagi kesehatan manusia. Tabir surya yang menghalangi sinar UV dan mantel pelindung serta perisai timbal yang menghalangi sinar-X memasuki kulit menunjukkan kekuatan ini. Sinar gamma dari luar angkasa untungnya diserap oleh atmosfer Bumi, mencegah mereka dari membahayakan manusia.

Akhirnya, frekuensi dapat dikaitkan dengan periode T dalam hitungan detik dengan persamaan T = 1 / f. Sifat-sifat x-ray ini juga dapat berlaku untuk bentuk lain dari radiasi elektromagnetik. Radiasi sinar-X khususnya menunjukkan sifat-sifat mirip gelombang ini, tetapi juga yang seperti partikel.

Sinar-X sebagai Partikel

Selain perilaku seperti gelombang, sinar-X berperilaku seperti aliran partikel seolah-olah gelombang tunggal sinar-X terdiri dari satu partikel demi satu bertabrakan dengan benda-benda dan, setelah tabrakan, menyerap, merefleksikan, atau melewati.

Karena persamaan Plancks menggunakan energi dalam bentuk foton tunggal, para ilmuwan mengatakan gelombang cahaya elektromagnetik "terkuantisasi" ke dalam "paket" energi ini. Mereka terbuat dari jumlah foton tertentu yang membawa jumlah energi diskrit yang disebut kuanta. Ketika atom menyerap atau memancarkan foton, mereka, masing-masing, meningkatkan energi atau kehilangannya. Energi ini dapat mengambil bentuk radiasi elektromagnetik.

Pada tahun 1923, fisikawan Amerika William Duane menjelaskan bagaimana sinar-X akan berdifraksi dalam kristal melalui perilaku seperti partikel ini. Duane menggunakan transfer momentum terkuantisasi dari struktur geometri kristal difraksi untuk menjelaskan bagaimana gelombang-gelombang sinar-X yang berbeda akan berperilaku ketika melewati material.

Sinar-X, seperti bentuk lain dari radiasi elektromagnetik menunjukkan dualitas gelombang-partikel yang memungkinkan para ilmuwan menggambarkan perilaku mereka seolah-olah mereka adalah partikel dan gelombang sekaligus. Mereka mengalir seperti gelombang dengan panjang gelombang dan frekuensi sambil memancarkan jumlah partikel seolah-olah mereka adalah balok partikel.

Menggunakan Energi Sinar-X

Dinamai setelah fisikawan Jerman Maxwell Planck, persamaan Plancks menentukan bahwa cahaya berperilaku seperti ini, cahaya juga menunjukkan sifat seperti partikel. Dualitas gelombang-partikel cahaya ini berarti bahwa, meskipun energi cahaya bergantung pada frekuensinya, ia tetap datang dalam jumlah energi yang berbeda yang ditentukan oleh foton.

Ketika foton sinar-X bersentuhan dengan bahan yang berbeda, beberapa di antaranya diserap oleh bahan sementara yang lain melewatinya. Sinar-X yang melewati membiarkan dokter membuat gambar internal tubuh manusia.

Sinar-X pada Aplikasi Praktis

Kedokteran, industri dan berbagai bidang penelitian melalui fisika dan kimia menggunakan sinar-X dengan cara yang berbeda. Peneliti pencitraan medis menggunakan sinar-X dalam membuat diagnosis untuk mengobati kondisi dalam tubuh manusia. Radioterapi memiliki aplikasi dalam pengobatan kanker.

Insinyur industri menggunakan sinar-X untuk memastikan logam dan material lain memiliki sifat yang sesuai yang diperlukan untuk keperluan seperti mengidentifikasi keretakan pada bangunan atau membuat struktur yang dapat menahan tekanan dalam jumlah besar.

Penelitian sinar-X di fasilitas synchrotron memungkinkan perusahaan memproduksi instrumen ilmiah yang digunakan dalam spektroskopi dan pencitraan.Synchrotron ini menggunakan magnet besar untuk membelokkan cahaya dan memaksa foton untuk mengambil lintasan gelombang seperti ketika sinar-X dipercepat dalam gerakan melingkar di fasilitas ini, radiasi mereka menjadi terpolarisasi linier untuk menghasilkan sejumlah besar daya. Mesin kemudian mengarahkan sinar-X ke akselerator dan fasilitas lain untuk penelitian.

Sinar-X dalam Kedokteran

Aplikasi sinar-X dalam kedokteran menciptakan metode pengobatan yang sama sekali baru dan inovatif. Sinar-X menjadi bagian integral dari proses mengidentifikasi gejala-gejala di dalam tubuh melalui sifat non-invasifnya yang memungkinkan mereka untuk mendiagnosis tanpa harus secara fisik memasuki tubuh. Sinar-X juga memiliki keuntungan dalam memandu dokter saat mereka memasukkan, melepas, atau memodifikasi peralatan medis di dalam pasien.

Ada tiga jenis utama pencitraan sinar-X yang digunakan dalam pengobatan. Yang pertama, radiografi, menggambarkan sistem kerangka dengan hanya sejumlah kecil radiasi. Yang kedua, fluoroskopi, memungkinkan para profesional melihat keadaan internal pasien secara real-time. Peneliti medis telah menggunakan ini untuk memberi makan pasien barium untuk mengamati cara kerja saluran pencernaan mereka dan mendiagnosis penyakit dan gangguan kerongkongan.

Akhirnya, computed tomography memungkinkan pasien berbaring di bawah pemindai berbentuk cincin untuk membuat gambar tiga dimensi organ dan struktur internal pasien. Gambar tiga dimensi dikumpulkan bersama-sama dari banyak gambar cross-sectional yang diambil dari tubuh pasien.

X-ray History: Inception

Insinyur mekanik Jerman Wilhelm Conrad Roentgen menemukan sinar-X ketika ia bekerja dengan tabung sinar katoda, sebuah alat yang menembakkan elektron untuk menghasilkan gambar. Tabung menggunakan amplop kaca yang melindungi elektroda dalam ruang hampa di dalam tabung. Dengan memasukkan arus listrik melalui tabung, Roentgen mengamati bagaimana gelombang elektromagnetik yang berbeda dipancarkan dari perangkat.

Ketika Roentgen menggunakan kertas hitam tebal untuk melindungi tabung, ia menemukan bahwa tabung itu memancarkan cahaya fluoresens hijau, sinar-X, yang bisa melewati kertas dan memberi energi pada bahan lain. Dia menemukan bahwa, ketika elektron bermuatan sejumlah energi akan bertabrakan dengan material, sinar-X diproduksi.

Menamai mereka "sinar-X," Roentgen berharap dapat menangkap sifat misterius dan tidak diketahui mereka. Roentgen menemukan itu bisa melewati jaringan manusia, tetapi tidak melalui tulang atau logam. Pada akhir 1895, insinyur menciptakan gambar tangan istrinya menggunakan sinar-X serta gambar bobot dalam kotak, suatu prestasi penting dalam sejarah sinar-X.

X-ray History: Spread

Segera, para ilmuwan dan insinyur menjadi terpikat oleh sifat misterius sinar-X mulai mengeksplorasi kemungkinan untuk penggunaan sinar-X. Roentgen (R) akan menjadi unit yang sekarang tidak berfungsi untuk mengukur paparan radiasi yang akan didefinisikan sebagai jumlah paparan yang diperlukan untuk membuat unit muatan elektrostatik positif dan negatif tunggal untuk udara kering.

Menghasilkan gambar kerangka internal dan struktur organ manusia dan makhluk lain, ahli bedah dan peneliti medis menciptakan teknik inovatif untuk memahami tubuh manusia atau mencari tahu di mana peluru berada di tentara yang terluka.

Pada 1896, para ilmuwan sudah menerapkan teknik untuk mencari tahu jenis-jenis materi sinar-X yang bisa melewatinya. Sayangnya, tabung yang menghasilkan sinar-X akan pecah di bawah sejumlah besar tegangan yang diperlukan untuk keperluan industri sampai tabung Coolidge 1913 dari fisikawan-insinyur Amerika William D. Coolidge menggunakan filamen tungsten untuk visualisasi yang lebih akurat di bidang yang baru lahir dari radiologi. Coolidges bekerja akan membumikan tabung sinar-X dengan kuat dalam penelitian fisika.

Pekerjaan industri lepas landas dengan produksi bola lampu, lampu neon dan tabung vakum. Pabrik memproduksi radiografi, gambar sinar-X, tabung baja untuk memverifikasi struktur dan komposisi internal mereka. Pada 1930-an General Electric Company telah menghasilkan satu juta generator sinar-X untuk radiografi industri. Perhimpunan Insinyur Mekanik Amerika mulai menggunakan sinar-X untuk menyatukan bejana tekan yang dilas menjadi satu.

Efek Kesehatan Negatif sinar-X

Mengingat banyaknya energi sinar-X yang dikemas dengan panjang gelombang pendek dan frekuensi tinggi, ketika masyarakat memeluk sinar-X di berbagai bidang dan disiplin ilmu, paparan sinar-X akan menyebabkan individu mengalami iritasi mata, kegagalan organ, dan kulit terbakar, kadang-kadang bahkan mengakibatkan hilangnya anggota tubuh dan nyawa. Panjang gelombang dari spektrum elektromagnetik ini dapat memutus ikatan kimia yang akan menyebabkan mutasi pada DNA atau perubahan struktur molekul atau fungsi seluler dalam jaringan hidup.

Penelitian terbaru tentang sinar-X telah menunjukkan bahwa mutasi dan penyimpangan kimia ini dapat menyebabkan kanker, dan para ilmuwan memperkirakan 0,4% kanker di Amerika Serikat disebabkan oleh CT scan. Ketika sinar-X meningkat popularitasnya, para peneliti mulai merekomendasikan kadar dosis sinar-X yang dianggap aman.

Ketika masyarakat merangkul kekuatan sinar-X, dokter, ilmuwan dan profesional lainnya mulai mengungkapkan keprihatinan mereka tentang efek kesehatan negatif dari sinar-X. Ketika para peneliti mengamati bagaimana sinar-X akan melewati tubuh tanpa memperhatikan dengan cermat bagaimana gelombang-gelombang itu secara khusus menargetkan area-area tubuh, mereka hanya punya sedikit alasan untuk percaya bahwa sinar-X bisa berbahaya.

Keamanan X-ray

Meskipun implikasi negatif dari teknologi sinar-X pada kesehatan manusia, efeknya dapat dikontrol dan dipelihara untuk mencegah bahaya atau risiko yang tidak perlu. Sementara kanker secara alami mempengaruhi 1 dari 5 orang Amerika, sebuah CT scan umumnya meningkatkan risiko kanker sebesar 0,05 persen, dan beberapa peneliti berpendapat bahwa paparan sinar X yang rendah bahkan mungkin tidak berkontribusi pada risiko individu terhadap kanker.

Tubuh manusia bahkan memiliki cara untuk memperbaiki kerusakan yang disebabkan oleh dosis rendah sinar-X, menurut sebuah studi di American Journal of Clinical Oncology, menunjukkan bahwa pemindaian sinar-X tidak menimbulkan risiko signifikan sama sekali.

Anak-anak berisiko lebih besar terkena kanker otak dan leukemia ketika terkena sinar-X. Untuk alasan ini, ketika seorang anak mungkin memerlukan pemindaian sinar-X, dokter dan profesional lainnya mendiskusikan risiko dengan wali dari keluarga anak-anak untuk memberikan persetujuan.

Sinar-X pada DNA

Paparan sinar X dalam jumlah tinggi dapat menyebabkan muntah, perdarahan, pingsan, rambut rontok, dan kulit rontok. Mereka dapat menyebabkan mutasi pada DNA karena mereka hanya memiliki energi yang cukup untuk memutus ikatan antar molekul DNA.

Masih sulit untuk menentukan apakah mutasi pada DNA disebabkan oleh radiasi sinar-X atau mutasi acak dari DNA itu sendiri. Para ilmuwan dapat mempelajari sifat mutasi termasuk probabilitas, etiologi, dan frekuensi mereka untuk menentukan apakah istirahat untai ganda dalam DNA adalah hasil dari radiasi sinar-X atau mutasi acak dari DNA itu sendiri.