In het jaar 1895 is Wilhelm Röntgen (1845-1923) aan het experimenteren met een kathodestraalbuis. Dit is een buis waarin aan de ene kant (de kathode) een gloeidraad zit en aan de andere kant (de anode) een metalen plaat. Als de gloeidraad wordt verhit dan 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. Daarna verlaagt hij de druk in de kathodestraalbuis en de lichtflits wordt dan 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 kan niet precies zijn vinger op leggen hoe het gebeurd. Wel valt het hem op dat een plaat ingesmeerd met een bariumplatinacyaanzuur verbinding 'oplicht' Het lijkt of er licht afkomt telkens als hij de kathodestraal buis aanzet. Dit vraagt om nader onderzoek. Röntgen plakt de buis af met zwart karton om zeker te zijn dat er geen licht meer op de plaat kan komen en toch blijft 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 wiskunde, waar de onbekende ook altijd x genoemd wordt.
Röntgen experimenteert verder met zijn X-stralen en het blijkt dat de straling door heel veel materialen gaat. Zelfs door de huid en spieren van het menselijke lichaam 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
Geef de betekenis van de volgende begrippen:
Anode
Kathode
Kathodestraalbuis
Opdracht 2
Maak een tekening van een kathodestraalbuis waarin Röntgenstralen worden gemaakt. Geef de onderdelen aan en leg uit hoe de röntgenstraling kan ontstaan.
Opdracht 3
In 1901 krijgt Röntgen de Nobelprijs voor zijn ontdekking.
Nadat de eerste Röntgenfoto's zijn gepubliceerd neemt de toepassing hiervan een grote vlucht. Niet alleen in medische kringen wordt het nieuwe middel gebruikt, maar al snel worden 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.
Als je een Röntgenfoto bekijkt zijn je botten wit gekleurd. In de film zijn de botten van de man echter zwart. Leg uit hoe dat komt.
De man in beeld wordt eerst gewoon opgenomen, en later zijn de zelfde opnames met Röntgenstraling gemaakt. De hele film duurt ongeveer 9 minuten. Vind je dat verstandig? Leg uit.
Kan een dergelijke film nu nog een keer gemaakt worden?
Johan
In de ambulance uit de inleiding ligt Johan. Johan heeft een ongelukje gehad op het sportveld en hij heeft erg pijn in zijn been. Hieronder zie je de röntgenfoto van zijn been.
Opdracht 4
Kijk naar de foto. Welk been zie je hier? Hoe weet je dat?
Welk gedeelte van een been zie je hier?
Wat is er met Johan aan de hand denk je?
Je ziet ook nog vaag andere lijntjes op de foto. Wat is dat?
Waarom zie je de botten wit op de foto?
De dokter heeft de foto ook bekeken en Johan wordt meteen naar de operatiekamer vervoerd voor een operatie. Daar worden de stukjes weer aan elkaar gezet en Johan krijgt gips om zijn been voor de genezing.
Als Johan na zes weken weer terug komt voor een controle wordt er weer een röntgenfoto genomen.
Moet het gips er eerst af voor de nieuwe foto? Leg uit.
Elektromagnetische straling
Elektromagnetische straling
Veel medische apparaten gebruiken Elektromagnetisch straling om het beeld te maken. Voorbeelden van deze straling zijn röntgengolven, radiogolven, radargolven, licht, infrarood straling, ultraviolet straling en gammastraling. Al deze golven planten zich voort met de lichtsnelheid (in het luchtledige bijna 300 000 km/s).
De verschillende vormen van elektromagnetische straling onderscheiden zich door hun golflengte.
Figuur 1 geeft een overzicht van de elektromagnetische golven. De golflengte van bijvoorbeeld röntgenstraling is tussen 0,1 en 10 nanometer, veel korter dan die van zichtbaar licht (één nanometer is 10-9 meter = een miljoenste millimeter).
Figuur 1: het elektromagnetische spectrum
Verband tussen golflengte en frequentie
Als je goed naar figuur 1 kijkt zie je dat de frequentie lager wordt naarmate de golflengte groter wordt. Het verband tussen de golflengte en de frequentie van een golfverschijnsel wordt gegeven door de volgende formule:
\(\lambda = \frac{c}{f}\) \(\tiny{ \text{Met:}\\ \lambda \text{ is de golflengte in meter (m)}\\ f \text{ is de frequentie in Hertz (Hz)}\\ c \text{ is de voortplantingssnelheid in meter per seconde (m/s)} }\)
Elektromagnetische straling en energie
Door elektromagnetische straling wordt energie vanuit een bron naar de omgeving overgedragen; hoe hoger de frequentie, des te groter de energie die wordt overgebracht. In het begin van de 20e eeuw bleek uit heel nauwkeurig onderzoek van elektromagnetische golven dat deze golven bestaan uit hele kleine golfdeeltjes. Het golfdeeltje kreeg een paar jaar later de naam foton. Een foton vertegenwoordigt het kleinst mogelijke brokje (licht)energie van een elektromagnetische golf. De energie van een dergelijk brokje, de fotonenergie, hangt af van de frequentie: hoe groter de frequentie, des te groter de energie en omdat de frequentie afhankelijk is van de golflengte volgt de energie van een foton uit de volgende formules:
\(E = h \cdot f\)
\(E = h \cdot \frac{c}{\lambda}\)
\(\tiny{ \text{Met:}\\ E \text{ is de energie van het foton in joule (J)}\\ f \text{ is de frequentie in hertz (Hz)}\\ h \text{ is de constante van Planck, $h = 6,62607 \cdot 10^{-34}$ Js} \\ \lambda \text{ is de golflengte in meter (m)}\\ f \text{ is de frequentie in Hertz (Hz)}\\ c \text{ is de voortplantingssnelheid in meter per seconde (m/s)}}\)
Fotonen kunnen reageren met geladen deeltjes, zoals de elektronen in een atoom. Zo kunnen fotonen van het zichtbare licht chemische reacties veroorzaken (denk aan de fotosynthese bij groene planten, aan zintuigcellen in het oog en de werking van fotofilm).
De frequentie van röntgenstraling is zeer hoog. De energie van röntgenfotonen is dus ook veel groter dan die van zichtbaar lichtfotonen. Fotonen van röntgenstraling kunnen daardoor moleculen in ons lichaam beschadigen, wat uiteraard gevaarlijk is voor de gezondheid. Dit bespreken we verder in het gedeelte over stralingsdosis.
Opdracht 5
Geef van de volgende beweringen aan of ze waar of niet waar zijn:
Röntgenstraling is , net als licht, een elektromagnetische golf.
Licht bestaat uit kleine deeltjes: fotonen.
Met licht kun je geen röntgenfoto maken omdat de energie van lichtdeeltjes te klein is.
Een elektromagnetische golf reist altijd met de lichtsnelheid.
Stralingsdeeltjes bij radiogolven (zoals bij een mobieltje) hebben veel energie.
Opdracht 6
Hoeveel energie heeft een foton van licht met een golflengte van 480 nm?
Opdracht 7
Bereken de frequentie van licht met een golflengte van 520 nm.
Opdracht 8
Wat gebeurt er met de golflengte als de frequentie omhoog gaat?
Opdracht 9
De golflengte van violet licht is 380 nm. Bereken de frequentie van violet licht.
Stralingsdosis
Toen de Röntgenstraling net ontdekt was werd het niet alleen gebruikt voor medische doeleinden. Op kermissen en jaarmarkten kon je je eigen skelet bekijken met Röntgenapparaten. Handige knutselaars maakten namelijk zelf Röntgenbuizen. In de loop van de tijd kwam men er echter achter dat het toch niet zo ongevaarlijk was als men dacht. Mensen die veel met Röntgenstaling experimenteerden bleken ineens ziek te worden of een soort van brandwonden op te lopen op plaatsen waar veel straling kwam. Röntgenstraling is namelijk een elektromagnetische straling met veel energie. Die energie zorgt ervoor dat de straling door veel stoffen heen gaat waar licht niet door kan zoals je weefsel.
Toen het bekend werd dat straling niet zo goed was is iedereen veel voorzichtiger geworden met Röntgenstraling.
Om de schadelijkheid van röntgenstraling te bepalen, hanteerde men bijvoorbeeld de volgende methode: stel een lichaamsdeel bloot aan de straling en kijk wanneer de huid rood wordt. Deze hoeveelheid werd dan door 12 gedeeld (het aantal maanden). Dit laatste werd de norm voor de maximale hoeveelheid straling per jaar.
Mensen die veel met Röntgenstraling werken moet natuurlijk beschermd worden. De hoeveelheid straling die zij oplopen wordt gemeten met een zogeheten Dosimeter.
Geabsorbeerde stralingsdosis
Om stralingsrisico's te kunnen bepalen, gebruikt men het begrip geabsorbeerde stralingsdosis. Het blijkt dat verschillende delen van het lichaam verschillende hoeveelheid straling kunnen weerstaan. Delen van het lichaam die nauwelijks groeien, kunnen veel meer straling absorberen zonder dat dit schadelijk wordt, dan delen die snel groeien en waar veel celdeling plaats vindt.
De dosis is de absolute hoeveelheid stralingsenergie die opgenomen wordt in het weefsel.
Dosis is hoeveelheid energie per massa en wordt berekend met de volgende formule:
\(D = \frac{E}{m}\)
\(\tiny{ \text{Met:}\\ D \text{ is de dosis in Gray (Gy)}\\ E \text{ is de energie in joule (J)}\\ m \text{ is de massa in kilogram (kg)} }\)
Wat doet straling in je lichaam?
Om te bepalen hoe gevaarlijk straling wel of niet is, moeten we weten wat er met straling in het lichaam gebeurt. Er zijn in principe vier mogelijke gebeurtenissen denkbaar.
Er gebeurt niets. De straling gaat zonder contact door het lichaam heen en beïnvloedt het lichaam niet. Dit kan doordat de ruimte tussen kern en elektronenschillen relatief groot is.
Het stralingsdeeltje maakt een ander atoom radioactief. Dit kan alleen als het deeltje door een atoomkern geabsorbeerd wordt. De kans daarop is erg klein vanwege het kleine volume van de kern in het grotendeels lege atoom.
De straling wordt geabsorbeerd door atomen en de energie van de straling wordt omgezet in warmte.
Het stralingsdeeltje ioniseert atomen en de resulterende vrije elektronen kunnen chemische reacties - en dus schade - veroorzaken in lichaamscellen.
Tabel 1: Effecten van acute blootstelling over het gehele lichaam
Dosis (Gy)
Effect
< 0,05
Geen direct waarneembaar effect
0,15 - 0,25
Bij enkele mensen veranderingen in bloedwaarden
0,5
Vrijwel zeker veranderingen in de bloedwaarden
1,0
Vaak acuut stralingssyndroom merkbaar (begint met misselijkheid, overgeven, vermoeidheid, geen eetlust)
1,5
Overgevoelige mensen overlijden
2,0
Ooglens begint troebel te worden
3,2-3,6
De helft overlijdt binnen 30 dagen bij minimale medische verzorging
4,0
Permanente steriliteit bij bestraling van de geslachtsorganen
5,0
Haaruitval
4,8-5,4
De helft overlijdt binnen 30 dagen bij normale medische verzorging
11
De helft overlijdt binnen 30 dagen, ook bij intensieve medische verzorging, waaronder beenmergtransplantatie
>20
Vrijwel zekere dood
>50
Centraal zenuwstelsel (hersenen, spieren) bestuurt lichaamsfuncties als ademen en bloedcirculatie niet meer. Zekere dood binnen enkele uren.
Opdracht 10
Wat zijn de gevaren van Röntgenstraling?
Hoe kun je je beschermen tegen Röntgenstraling?
Opdracht 11
Mensen die op de Röntgenafdeling werken mogen natuurlijk niet ziek worden van hun werk.
Hoe wordt de straling die radiologen opvangen gemeten? Geef ook de werking van het apparaat.
Welke maatregelen treft het ziekenhuis voor de gezondheid van de radiologen?
Opdracht 12
Een man laat een röntgenfoto van zijn arm maken om te kijken of deze gebroken is. De man legt zijn arm onder het röntgenapparaat en er wordt een foto gemaakt. De arm heeft een massa van 2,4 kg. De hoeveelheid geabsorbeerde energie uit het apparaat is 0,005 J.
Bereken de dosis die de man ontvangt.
Opdracht 13
Een man wordt 10 minuten blootgesteld aan Röntgenstraling. De bron heeft een vermogen van 0,0025 J/s. De man heeft een massa van 85 kg. Door absorptie in de omgeving wordt slechts 80% van de hoeveelheid straling door de man geabsorbeerd.
Bereken de dosis die de man ontvangt.
CT-scan
Een röntgenfoto zegt niet alles. Het is 2-dimensionaal, dat wil zeggen plat. Je kunt er geen diepte in zien terwijl dat soms wel handig is. Op de foto van Johan kun je bijvoorbeeld niet zien wat er zich achter de botten bevindt.
Er zijn apparaten ontwikkeld waar dat wel mee kan: de CT-scan. CT is de afkorting van ComputerTomografie.
Het arrangement Ziekenhuis-2 Röntgenstraling is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteur
Nathalie van der Weiden
Laatst gewijzigd
2017-03-02 14:17:51
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 3.0
Nederlands licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of
bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten
terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI
koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI
koppeling aan te gaan.
Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.
Arrangement
IMSCC package
Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.
Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en
het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op
onze Developers Wiki.
