2 Röntgenstraling
Röntgenstraling wordt in de medische wereld vaak toegepast, denk maar aan röntgenfoto's bij botbreuken. Ook een CT-scan wordt met behulp van röntgenstraling gemaakt. In dit hoofdstuk maak je kennis met de natuurkundige principes achter de röntgenfoto en de CT-scan, maar eerst kijken we terug in de tijd.
Een stukje geschiedenis
In het jaar 1895 is Wilhelm Röntgen (1845-1923) aan het experimenteren met een kathodestraalbuis. Dit is een buis waarin aan de ene kant een gloeidraad zit (de kathode) en aan de andere kant een metalen plaat (de anode). Als de
gloeidraad wordt verhit, komen daar elektronen vanaf. Die elektronen kunnen met behulp van een hoge spanning naar de anode 'geschoten' worden. Als Röntgen bezig is, ziet hij een lichtflits in de buis. Vervolgens verlaagt hij de druk in de kathodestraalbuis; de lichtflits die hij dan ziet, is blauw. Bij verdere verlaging van de druk, naar bijna vacuüm, verdwijnt de zichtbare lichtflits. Röntgen denkt wel dat er nog energie wordt overgedragen van de kathode naar de anode, maar hij kan er niet precies de vinger op leggen hoe. Wel valt hem op dat een plaat die ingesmeerd is met een bariumplatinacyaanzuur-verbinding 'oplicht.' Het lijkt of er licht van de plaat afkomt, telkens als hij de kathodestraalbuis aanzet. Dit vraagt om nader onderzoek. Röntgen plakt de buis af met zwart karton om er zeker van te zijn dat er geen licht meer op de plaat kan komen, en toch blijft de plaat 'oplichten'. Hiervoor moet een nieuw soort straling verantwoordelijk zijn. Deze straling is niet zichtbaar, maar ligt wel aan de kant van violet in het zichtbare spectrum. Röntgen noemt deze straling "X-stralen". Dit naar analogie met de wiskunde, waarin de onbekende ook altijd x genoemd wordt.
Röntgen experimenteert verder met zijn X-stralen en het blijkt dat de straling door heel veel materialen heen gaat. Zelfs door zijn huid en spieren, als hij zijn hand tussen de kathodestraalbuis en de met bariumplatinacyaanzuur-verbinding geprepareerde plaat houdt. Wat opvalt, is dat de straling niet door zijn botten heen gaat. Hij krijgt een schaduwafbeelding van zijn skelet op de plaat te zien. Hierna maakt hij een foto van de hand van zijn vrouw: de allereerste röntgenfoto!
Opdracht
1. Leg met behulp van een tekening in je schrift uit hoe je een schaduwafbeelding van je skelet op een röntgenfoto krijgt, en niet een 'gewone' foto.
Toepassing
In 1901 krijgt Röntgen de Nobelprijs voor zijn ontdekking.
Nadat de eerste röntgenfoto's zijn gepubliceerd, neemt de toepassing ervan een grote vlucht. Niet alleen in medische kringen wordt het nieuwe middel gebruikt; al snel zijn er allerlei toepassingen van het 'wonderapparaat'. Schoenverkopers schaffen een klein röntgenapparaat aan om de maat van je schoenen goed te kunnen vaststellen en ga zo maar door.
Nu men voor het eerst in een levend lichaam kan kijken, gaat men voor allerlei onderzoek de X-stralen toepassen. Zie het filmpje van het onderzoek van de bewegingen van een schouder van Prof. Dr. R. Janker uit 1930.
Kijkvragen bij de film
1. Als je een röntgenfoto bekijkt, zie je wit gekleurde botten. In de film zijn de botten van de man echter zwart. Leg uit hoe dat komt.
2. De man in beeld wordt eerst gewoon opgenomen, en later zijn dezelfde opnames met röntgenstraling gemaakt. De hele film duurt ongeveer 9 minuten. Vind je dat verstandig? Leg uit.
3. Kan een dergelijke film nu nog een keer gemaakt worden? Zou het mogen?
2.1 Röntgenfotografie
Casus
Johan is bij een voetbalwedstrijd geblesseerd geraakt. Hij heeft iets aan zijn been: het staat scheef en het doet pijn. Het lijkt erop dat zijn been gebroken is.
In het ziekenhuis wordt hij opgevangen door de afdeling spoedeisende hulp. De arts komt bij hem en kijkt naar zijn been. De arts laat een röntgenfoto van zijn been maken.
De arts kijkt naar de foto. Hij kan zien dat beide botten in het onderbeen gebroken zijn.
Johan krijgt de foto ook te zien en is nieuwsgierig geworden. Hij gaat vragen stellen aan de arts. Hij stelt vragen over wat er gaat gebeuren, maar hij stelt ook technische vragen over de röntgenstraling zelf. Voor het medische gedeelte kan de arts hem geruststellen, maar voor de technische vragen moet hij naar de klinisch fysicus. Maar gezien de ernst van de situatie moet Johan eerst geopereerd worden.
Na de operatie, als Johan weer op zaal ligt, komt de radioloog langs om een aantal vragen van Johan te beantwoorden. Johan heeft de volgende vragen:
1. Waar komen röntgenstralen vandaan? Hoe worden ze gemaakt?
2. Kun je met röntgenstraling alleen botten zichtbaar maken, of ook andere delen van je lichaam?
3. Waarom gaan de verplegers bij het nemen van een röntgenfoto achter een muurtje staan? Hoe dik moet dat muurtje zijn?
4. Hoe voorkom je dat het personeel teveel straling krijgt?
De radioloog probeert Johan alles zo goed mogelijk uit te leggen.
Jullie gaan de radioloog helpen om antwoorden op de vragen van Johan te vinden. Schrijf de antwoorden op Johans vragen in je schrift op en laat ze door de docent of PAL controleren.
Om informatie te vinden, kun je gebruik maken van het internet, maar ook van je leerboek of andere bronnen.
Practicum
Practicum - Lichtstralen versus röntgenstralen
Benodigdheden: fotopapier.
- Leg zo snel mogelijk nadat je een stuk fotopapier uit de verpakking hebt gehaald je hand met gespreide vingers erop, handpalm naar beneden.
- Houd je hand zo stil mogelijk totdat het niet bedekte stuk fotopapier duidelijk donker kleurt. Dit kan enkele minuten duren.
- Haal je hand van het papier en kijk wat er langzaam met de afdruk gebeurt.
1. Geef twee overeenkomsten tussen deze foto en een röntgenfoto.
2. Geef twee verschillen tussen deze foto en een röntgenfoto.
3. Waardoor verdwijnt je handafdruk?
4. Wat moet je doen om je handafdruk niet te laten verdwijnen?
2.2 Animaties
Opdracht
Bekijk het bovenstaande filmpje over het ontstaan van röntgenstraling.
Je ziet een atoom uit de anode van een röntgenbuis. In het midden zit de kern en in de cirkelbanen (schillen) eromheen de elektronen. Als je het aantal elektronen van het atoom weet, dan weet je ook hoeveel protonen er zijn. Het aantal protonen geeft het atoomnummer van het element in het periodiek systeem.
1. Welk atoom is afgebeeld?
Je ziet een elektron dat van de kathode af komt. Beschrijf wat dat elektron doet aan de hand van de volgende vragen:
2. Uit welke schil wordt een elektron weggeschoten? Waarom juist uit die schil en niet uit een andere?
3. Het elektron wordt vervangen door een ander elektron uit een verdere schil met hogere energie. Wat gebeurt er als het elektron van de verdere schil terugvalt? Leg uit.
Remstraling
Elektronen van de kathode zullen, aangekomen op de anode, niet allemaal gebruikt worden om elektronen uit atomen weg te stoten. Een deel van de aankomende elektronen zal hun energie afstaan door af te remmen in het anodemateriaal. De energie die vrij komt, wordt omgezet in röntgenstraling die ook wel remstraling wordt genoemd.
De volgende animatie laat zien hoe zulke remstraling ontstaat. Bekijk deze animatie.
Beschrijf wat er gebeurt aan de hand van de volgende vragen:
4. Vergelijk de snelheid van het elektron bij binnenkomst met de snelheid bij het verlaten van het atoom. Leg uit hoe hierdoor energie vrijkomt.
5. Beschrijf de baan van het binnenkomende elektron. Leg uit hoe hierdoor energie vrijkomt.
6. Bedenk en beschrijf wat er gebeurt met het elektron als het eenmaal 'stil' staat in de anode.
Hieronder staat een aantal plaatjes van het spectrum van de röntgenbuis. Rechtsonder in een aantal van de plaatjes zie je de formule E = h · ν, het laatste symbool is geen v, maar een griekse letter ν (spreek uit: nu). Sommige natuurkundigen gebruiken de letter ν voor de frequentie van een foton. De energie van het foton kun je dus uitrekenen met behulp van de constante van Planck en de golflengte. Als je het spectrum van een röntgenbuis bestudeert, zal je het een en ander opvallen.
Er ontstaat een grote bult met daarop pieken. De grote bult wordt de witte berg genoemd en geeft de remstraling weer. De pieken zijn de specifieke golflengten voor een bepaald anodemateriaal.
7. Leg uit waardoor de witte berg een 'continu' deel van het spectrum is.
Afhankelijk van de toepassing zal juist de witte berg of de specifieke piek uit het spectrum gefilterd worden. Dit heeft te maken met de veiligheid van degene die de bestraling ondergaat. Als het bijvoorbeeld om het fotograferen van een beenbreuk gaat, zorgt men ervoor dat de golflengten die de huid en spieren kunnen aantasten uit de röntgenbundel gefilterd zijn. Men streeft naar een zo laag mogelijke 'stralingsbelasting'.
8. Geef in woorden weer wat je ziet op de plaatjes van het röntgenspectrum.
9. Bereken de golflengtes van de fotonen die bij de twee pieken horen. Gebruik hierbij de formule uit hoofdstuk 1 voor de relatie tussen de frequentie en golflengte van een foton, of zoek deze op in Binas. Controleer vervolgens in Binas of de gevonden golflengtes inderdaad binnen het röntgengebied vallen.
Afbeeldingengalerij
2.3 Eindopdracht
De vraag:
Waar komt röntgenstraling vandaan?
Inleiding
Je bent gevraagd om voor de radiologenopleiding een verhaal te verzorgen over de werking van een röntgenapparaat. Dat is best ingewikkelde materie. Om het goed duidelijk te maken, besluit je om een model van een röntgenbuis te maken waarin je alle onderdelen goed kunt laten zien. Met die buis geef je een presentatie waarin je het een en ander duidelijk uitlegt.
Opdracht
Maak een model van een röntgenbuis waarin alle onderdelen goed zichtbaar zijn. Je laat duidelijk zien waar alles zit en kunt de onderdelen benoemen met hun functie. Er is goed te zien waar de straling de buis verlaat.Met dit model geef je een presentatie over de werking van een röntgenbuis. In je presentatie komen de volgende begrippen in ieder geval aan de orde en leg je de begrippen uit:
- anode en kathode
- elektronenbundel
- remstraling
- kinetische energie
- elektronvolt
- foton
Je kunt aan de hand van een grafiek uitleggen welke straling van de röntgenbuis gebruikt wordt voor een foto en waarom.
Bronnen
Voor de werking van een röntgenbuis en het ontstaan van X-stralen kun je de volgende bronnen gebruiken:
http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=764285
http://www.radiologie.nu/radiologie/index.php?id=11
http://www.almaradiologie.be/Onderzoeken/Radiografie/radiografie%20hoe%20werkt%20het.html
Lees de bronnen goed door. Schrijf woorden die je niet kent op en zoek de betekenis op, of vraag het je docent.
Aan het eind van de presentatie geef je een samenvatting van de belangrijkste dingen uit je presentatie en je maakt 5 vragen over röntgenstraling en -apparaten voor de rest van de klas. Zij moeten die vragen kunnen beantwoorden als zij het hoofdstuk hebben doorgewerkt en/of naar je presentatie hebben geluisterd.
