Elektromágneses sugárzások:

Az energiájukat közvetítik egyedi foton formájában. Ezért hívják a sugárzást kvantumtermészetűnek.

A foton abszorbeálódik – átadja az elektronnak az energiáját. Akkor a legnagyobb az esélye ennek az abszorpciónak, ha kb. egyforma a foton és az elektron energiája. Az elektron elmozdul egy másik energiaszintre – így különböző energiaállapotúak lesznek. Ennek következtében az elektronnak muszáj energiát leadni. Ez egy foton emissziójával történik meg.

Sugárzási fotonok keletkezése/abszorpciója=energiakicserélődés.

Elektromágneses sugárzás: fény. Fénysebesség: 299 792,452 km/s = 1 079 252 827,2 km/h

1 űrhajóév 299 789,5 km/s sebességnél  2200 földi év.

A foton „megállíthatatlan” (nem lehet térben megállítani, vagy tárolni). Tehát addig fog fénysebességgel terjedni, amíg nem tud valamilyen anyagban abszorbeálódni. Energiát szállít.

A sugárzást lehet jellemezni:

• Fotonenergiával
• Hullámhosszal
• Frekvenciával

Alkalmazástól függ az, hogy hogyan kell jellemezni.

Fotonenergia:

Mennyi energiát tartalmaz a foton?

eV-ban jellemezhető/annak többszörösével.

Elektromágneses spektrum: rajta van a frekvenciatartomány.

Az elnevezést megszabja: az egyedi fotonok energiája. (Fény, röntgensugár, rádióhullám).

A foton energiája azért is fontos, mert összefüggésben van a sugárzás áthatolóképességével. Lágy és kemény sugárzás, vagyis: alacsony és nagy energiájú sugárzás.

A nagy energiájú sugárzásnak nagyobb az áthatolóképessége is.

Hogyan jön létre az ionizáció?

A foton energiája meghaladja az elektron kötési energiáját – így kilöki az elektront a helyéről. (Ion képződik, tehát ionizáció jön létre). Élő szövetben ez az energia 5 és 20 eV. (Ezt kell meghaladni és akkor ionizáló sugárzásról beszélünk).

Fotonenergia használata:

Nagy energiájú sugárzásokat lehet vele jellemezni. (Röntgen, gamma, kozmikus).

Frekvencia:

Egységnyi idő alatt kialakult rezgések/hullámok száma. A foton energiája: egyenesen arányos a frekvenciával (f).

E=hxf

A h itt: Planck-állandó: 6,626*10^-34 Js.

A frekvenciával alacsony energiájú sugárzásokat jellemeznek. (Rádió, TV, MRI). A frekvenciát is lehetne használni a röntgensugár jellemzésére – de ezt nem szoktuk alkalmazni.

Hullámhossz:

A sugárzásoknak hullámtermészete is van. Hullámhossz: 2 egymást követő hullámcsúcs közötti táv.

A hullámhossz egyben kifejezi:

Egy periódus alatt a sugárzás mennyi utat tett meg a térben. Bármilyen hosszúsággal, mértékegységgel kifejezhető.

Rádió/TV jelek: Nagyobb hullámhossz, méter tartományról beszélünk.

Nagyobb energiájú fotonok: fény-röntgenfotonok: kisebb hullámhossz. Nanométer, Ångström.

Fotonenergia + hullámhossz összefüggése:

E (keV) = 1,24/l (nm)

Az energia és a hullámhossz fordítottan arányosak. A nagyobb energia kisebb hullámhosszal jár. Leggyakrabban a fény esetében alkalmazzuk a hullámhosszt. Rádiósugárzásoknál is használják: rövidhullám, középhullám, URH.

Az elektron azért lett a modern technológia alapja, mert borzasztó sok van belőle.

Kis tömegű és egy negatív elektromos töltéssel rendelkezik (1,6 × 10–^19 C). Ez az elemi töltés, egységnyinek tekintjük, akkor, amikor más részecske töltésekről van szó. Az elektron a töltése miatt tud kölcsönhatásba lépni más elektronokkal, vagy más részecskékkel.

Tömege és töltése is van: számos energiafajtára szert tehet.

Egy röntgenkészülékben: az elektron veszi fel/szállítja/adja le az energiát, ami lehetővé teszi a röntgensugár keletkezését.

Nyugalmi energia

Akkor is van energiája az elektronnak, amikor nyugalomban van. Bármilyen anyagnak, csupán a tömege miatt is energiája van. Bizonyos körülmények között: az elektron tömege energiává alakítható és vissza.

E = m × c^2

Megadja az energia mennyiségét, ha a teljes tömeget energiává konvertálnánk. c=fénysebesség.

Radioaktív anyagok pozitronjai: ha találkoznak elektronnal, megsemmisülnek, mint anyag. Ilyenkor az elektron és a pozitron teljes tömege átalakul energiává.

1 elektron 510 keV energia – fotonként jelenik meg.

A pozitronok és az elektronok közötti megsemmisülés a pozitronemissziós tomográfia alapja.

PET (pozitron annihiláció vizsgálata).

Kinetikus energia

Mozgással kapcsolatos /pl. autók/ - de ha egy elektron mozog, neki is van kinetikus energiája.

Egy tárgy kinetikus energiája:

A tömegével és a sebességével kapcsolatos. A tárgy tömegével és a sebességének négyzetével arányos.

(Valójában relativisztikus energia, ami tartalmazza a  relativisztikus tömegnövekedést).

A sebesség megduplázása tehát négyszeresére növeli a mozgó tárgy kinetikus energiáját.

Az elektron nagy sebességgel haladhat: ez megközelítheti a fénysebességet. (Ilyen sebességtartományban már nem érvényes a négyszeres összefüggés. Az a vákuumban terjedő fény sebességénél sokkal kisebb sebességgel haladó testekre vonatkozik).

Relativitás-elmélet értelmében: az elektron tömege nagy sebességnél megváltozik.

Ilyenkor az energia és a sebesség összefüggése sokkal bonyolultabb.

Egy röntgencsőben: 100 keV fölötti csőfeszültségnél az elektron sebessége elérheti a fénysebesség felét.

Potenciális energia

Tárgy helyéből/konfigurációjából következik. Adott helyen (egy másik helyhez viszonyítva) egy tárgynak lehet több, kevesebb a potenciális energiája.

Nem az abszolút nulla potenciális hely kijelölése a fontos, hanem a különböző helyekhez tartozó potenciálisenergiák. Így: relatív potenciális energiákkal kell számolni. Ez a konzervatív erőterekben hasznos mennyiség – elektrosztatikus, gravitációs kölcsönhatás.

Energiakicserélődés

Az elektronok ilyen folyamaton mennek keresztül, amikor a potenciális energiájuk átalakul kinetikus energiává. Amikor nagy sebességű elektronok ütköznek különféle anyagokkal – elvesztik az energiájukat. Ez átalakul: hővé és röntgensugárzássá.

Energiaátadás

Az elektron legfontosabb feladata – energiát szállítanak egy adott helyről másik helyre.

Egy egyedi elektron több energiaformával rendelkezhet.

Elektromos energiaszállítás:

Az elektronok energiát vesznek fel valahol, ezt elviszik egy másik helyre, ahol leadják a felvett energiájukat. Utána visszamennek az energiaforráshoz, újraindul a folyamat.

Ez a berendezés: áramkör.

Röntgen áramköre

Kisfeszültségű áramkör

Nagyfeszültségű áramkör

Nagyfeszültség: a röntgencsőbe bemenő nagyfeszültségű kábelek.

Legalább kétkomponensű minden áramkör.

Belőlük az egyik komponens az energiaforrás. Ilyenek pl. az akkumulátorok, mivel adott energiaformát átalakít, és azt átadja az elektronnak.

Másik komponens a fogyasztó. /Ellenkező funkció/.

Ha a fogyasztón áthaladnak az elektronok, elvesztik az energiát. Ez az „elvesztett” energia más formába alakul át. Izzónál: fénnyé és hővé.

Két vezetővel kötjük össze az energiaforrást és a fogyasztót.

Ideális vezeték ellenállása nulla.

Ha ellenállása van a vezetőnek, akkor az elektronok elvesztik az energiájuk egy részét. Ez hővé alakul.

Áramkörben: nem keletkezik, nem semmisül meg elektron, csak energiát adnak le és vesznek fel mozgásukkor.

Az áramkörön belül az elektronoknak csak potenciális energiájuk van, mivel a sebességük és a kinetikus energiájuk elhanyagolható.

A vezetőben elmozdulnak, a sebességük nem elég ahhoz, hogy kinetikus energiájuk legyen.

Áramkörben a vezető egyik szálában nagyobb az elektronok potenciális energiája, mint a másik szálban.

Az energiaforrás növeli az elektronok potenciális energiáját.

Az elektronnak addig van meg az energiája, amíg egy fogyasztónak le nem adja. (Izzó, villanymotor).

Ezután visszamennek az energiaforráshoz.

Csatlakozási pontok, amiket a vezető köt össze/a fogyasztó és az energiaforrás között: pozitív, negatív pólus.

A nagyobb potenciális energiájú elektronok az energiaforrás negatív pólusán lépnek ki, és a fogyasztó negatív pontján lépnek be.

Leadják az energiát, a fogyasztó pozitív pólusán lépnek ki és visszamennek az energiaforrás pozitív pólusához.

A negatív pólusok közti vezetőben mennek a nagyobb potenciális energiájú elektronok, a pozitív pólusok közti vezetőben pedig az alacsony energiájú elektronok.

(Pozitív pólus és anód, negatív pólus és katód).

Egyenáram: (DC)

A pozitív és negatív pólus nem változik.

Váltóáram: (AC)

Az áramkör polaritása megváltozik, periódusonként. (Vagyis az áram iránya).

Tápegység

 Elektromos mennyiségek

1 db elektron nagyon kevés energiát képes szállítani. Több elektron azonban már épp eleget – tehát az elektronszámtól és az energia nagyságától függ a szállított energia mennyisége, áramkörön belül.

Áramerősség

A zárt áramkörben folyamatosan mozognak az elektronok, vezetőben. 1 másodperc alatt a vezető keresztmetszetén áthaladó töltésmennyiséget – vagyis az elektronok számát – nevezzük áramerősségnek. Nagy az elektronok száma másodpercenként az áramkörben. Emiatt nem az áthaladó töltésmennyiséggel jellemezzük, hanem ettől használhatóbb mértékegységgel.

Amper (A)

Egy A másodpercenként 1 C töltés áthaladását jelenti = tehát 6,25x10^18 elektront. Röntgen esetében az A ezredrészével találkozunk: mA (milliamper). Ez 6,25x10^15 elektront jelent, másodpercenként.

Elektronmennyiség és töltés

Az elektronnak van negatív elektromos töltése. A mennyiségüket lehet jellemezni a teljes elektromos töltéssel is.

Ha feltételezzük, hogy x semleges töltéssel bír, akkor elektron hozzáadásával 1 plusz elektronja lesz (x-), ha x-ből elektront távolítunk el, akkor pozitív töltéssel fog rendelkezni /elveszített egy negatívat a semleges bármi/ (x+).

Általában:

Az elektronok mennyiségét lehet jellemezni a töltéssel. Mértékegység: Coulomb.

1 C=6,25x10^18 elektron töltése.

1 C=1000 mAs

Azon kívül, hogy mennyi elektron áramlik az áramkörben, szükséges arról is tudni, hogy bizonyos időtartam alatt mennyi töltés halad át.

Röntgen esetében: milliampersecundum (mAs) mértékegységgel lehet jelölni.

Adott ponton áthaladó töltésmennyiség: az áramerősség és az idő függvénye.

 Feszültség

Az elektronok különféle energiaszinteken lehetnek:

• atomon belül is
• áramköri lokalizációjuk tekintetében

Áramkörben: magasabb potenciális energiaszintjük van, ha a negatív pólusból kiinduló vezetőben vannak.

Feszültség = az a mennyiség, ami az áramkörben a magasabb és alacsonyabb energiaszintek közti különbséget jelöli. V (Volt).

(Valójában nem a potenciális energia, hanem a potenciál különbsége ! a feszültség).

Potenciál = egységnyi töltés potenciális energiája.

Áramkör két oldala közötti potenciális energiakülönbség: arányos lesz a feszültséggel.

Átlag röntgenben a tipikus feszültségérték: 1000 V (kV).

Teljesítmény:

Ezzel lehet jellemezni az energiaátadás sebességét. Watt (W).

1 W = 1 J/s sebességű energiaátadást jelent. Vagyis: 1 J energiaátadást jelent 1 mp alatt.

Arányos az elektronok által szállított energiával és az elektronok áramlásával.

W = V x A

teljesítmény = feszültség x áramerősség

 Teljes energia

Áramkör által átadott teljes energiamennyiség.

Meghatározza:

• feszültség
• áramerősség
• energiaátadás időtartama

J = V x A x s

energia = feszültség x áramkör x idő

Röntgen áramköre

A tápegység (vagyis az energiaforrás) átadja az energiát az elektronnak. Ezek elmozdulnak a röntgencső, vagyis a fogyasztó felé.

Vezetők közötti feszültségkülönbség: 30000-120000 V (ez 30-120 kV) tartományban van.

Ez állítható, szükség szerint.

Itt a röntgencső jelenti a fogyasztót. Az elektronok vesztik el az energiájukat. Ennek eredménye: hő és röntgensugár keletkezik.

Váltóáram, egyenáram

Egyenáramú áramkör

A feszültség és az áramerősség időben nem változik à ezért az elektronok egy irányban mozognak. (Elemes, akkumulátoros dolgok).

Váltóáram

Vannak olyan tápegységek, amik időben változó feszültséget hoznak létre.

Az áramkörben az elektronok mozgása arányos (kb.) a feszültséggel à így az áram is változtatja az értékét.

Egyenáram = lassan változó feszültségek esetén szigorúan arányos – váltóáram esetében ennek frekvenciájától függ a feszültség és az áramerősség.

Váltóáram esetében periodikusan változtatja a feszültség a polaritását. Ennek megfelelően az áram is változtatja az irányát. (A szolgáltatók is ilyet biztosítanak, transzformátorok és elektromotorok alapja).

A váltóáram szinuszhullámmal jellemezhető. Jellemzi a frekvencia, ami egy teljes feszültségperiódus időtartamának a reciproka. Európában: 50 periódus/mp.

frekvencia = 50 Hz (ciklus/sec)

A feszültségérték folyton változik a feszültségperiódus során.

Egy adott perióduson belül: 2 csúcsértéket ér el rövid időre a feszültség.

Ez azt is jelenti, hogy a feszültség effektív értéke = abszolútértékének átlaga, alacsonyabb, mint a csúcsfeszültség.

Energia – teljesítményszámítások esetén:

Az imént említettek miatt ennél alacsonyabb értékkel kell számolni. A szinuszos feszültséghullám esetén a csúcsfeszültség 70,7%-a. Ez az érték a hullámforma állandó.

Értéke a feszültséghullám alakjától függ.