Elektromagnetisch spectrum: röntgenstraling

Wanneer men bijvoorbeeld kiespijn heeft of ongelukkig ten val is gekomen dan is het eerste wat een tandarts of arts doet een foto maken. Sinds de ontdekking van röntgenstraling hebben artsen de mogelijkheid om binnen in het lichaam te kijken zonder eerst de patiënt open te moeten maken. Hoewel röntgenstraling niet geheel zonder gevaar is overtreffen de voordelen ruimschoots de nadelen. Maar niet alleen in de medische wereld maakt men dankbaar gebruik van röntgenstraling en de mogelijkheid om door dingen heen te kijken, maar ook bijvoorbeeld in de astronomie, beveiliging, industrie en kunstwereld wordt deze techniek gebruikt. Maar wat is deze straling eigenlijk en hoe wordt het opgewekt?

Inhoud

• Eigenschappen van röntgenstraling
• Ontdekking van röntgenstraling
• Hoe ontstaat röntgenstraling?
• Bronnen van röntgenstraling
• De gevaren van röntgenstraling
• Toepassingen van röntgenstraling in het dagelijkse leven

Eigenschappen van röntgenstraling

Röntgenstraling is een onderdeel van het elektromagnetische spectrum en zit tussen gammastraling en ultraviolette straling in. De golflengte (afstand tussen de top van een golf tot de top van de volgende golf) van röntgenstraling is korter dan die van ultraviolette straling maar langer dan de golflengte van gammastraling.

• Golflengte van röntgenstraling zit tussen de 0,01 en 10 nanometer.
• De frequentie (aantal golven per seconde) ligt tussen de 3x10¹⁶ Hz en 3x10¹⁹ Hz.
• De hoeveelheid energie die röntgenstraling bezit ligt tussen de 100 eV en 100 keV (eV = elektronvolt - keV = kilo elektronvolt ofwel 1000 eV) .
• Röntgenfotonen die een energie bezitten boven de 120 - 12 keV worden harde röntgenstralen genoemd, alle röntgenstralen met minder dan 12 - 0,12 keV worden zachte röntgenstralen genoemd.
• Röntgenstraling is ioniserende straling. Röntgenstraling kan een elektron uit de buitenste schil van een atoom wegslaan.

Hoewel wij in Nederland en in veel andere landen bekend zijn met de term röntgenstraling wordt in Engelstalige landen de term X-ray (X-radiation) gebruikt.

Ontdekking van röntgenstraling

In 1895 ontdekte de Duitse natuurkundige Wilhelm Conrad Röntgen, tijdens onderzoek naar kathodestralen, de röntgenstralen. Bij een herhaling van een experiment van Philipp Lenard met een ontladingsbuis (de voorloper van de röntgenbuis) kwam Röntgen tot de ontdekking dat, ondanks dat het laboratorium volledig verduisterd was, een stuk gesteente (bariumplatinocyanide) oplichtte dat toevallig in de buurt lag. Hij herhaalde het experiment met een dikkere ontladingsbuis (en omwikkelde deze met zwart karton) maar ook toen lichtte het stuk gesteente op. Hoewel andere dit fenomeen al eerder hadden waargenomen, was Röntgen de eerste die dit verschijnsel ging bestuderen. Hij kwam tot de conclusie dat er een onbekende straling uit de buis kwam die ook door het karton heenging. Hij noemde deze onbekende straling X-stralen. Hij was ook de eerste die de medische mogelijkheden zag van deze X-straling toen hij een foto zag van de hand van zijn vrouw die gemaakt was met deze X-stralen. Slechts drie maanden na de ontdekking van röntgenfotografie werd deze techniek voor het eerst toegepast in een kliniek.
In 1901 ontving Wilhelm Conrad Röntgen de Nobelprijs voor de natuurkunde voor zijn ontdekking van de X-stralen. Hoewel het geheel tegen zijn wens in was, werden zijn X-stralen in veel landen bekend onder de naam röntgenstralen.

Hoe ontstaat röntgenstraling?

Röntgenstraling is gewone elektromagnetische straling net als licht. Elektromagnetische straling ontstaat wanneer atomen een temperatuur hebben van meer dan 0 kelvin. Des te heter de atomen des te korter de golflengte. Röntgenstraling kan op verschillende manieren ontstaan, zowel natuurlijk als kunstmatig. Röntgenstraling kan op aarde ontstaan door radioactief verval van bepaalde isotopen.

Röntgenbuis

Er kunnen twee soorten röntgenstraling worden opgewekt met de röntgenbuis.

• Karakteristieke straling: in een vacuümbuis zit aan de ene zijde de kathode (negatieve plaat) waarvan elektronen worden vrijgemaakt en afgeschoten. Aan de andere zijde zit de anode (de positieve plaat bijvoorbeeld wolfraam). Een hoog energetisch elektron kan een elektron uit een atoom van het anodemateriaal door een botsing wegschieten. Het weggeschoten elektron bevond zich dicht bij de kern, in de zogenaamde K- of L-baan van het atoom. De plaats van het weggeschoten elektron wordt weer opgevuld door een elektron uit een buitenste baan. Deze elektronen in de buitenste banen bezitten meer energie. Door het terugvallen van zo een elektron komt de overtollige energie vrij in de vorm van een röntgenfoton. Deze heeft een bepaalde energie dat karakteristiek is voor het gebruikte anodemateriaal.
• Remstraling: als de afgeschoten elektron in de buurt komt van een atoomkern van de anode wordt deze hierdoor aangetrokken en wordt zijn baan afgebogen en afgeremd. Dit komt omdat de atoomkern positief is geladen en een elektron negatief is geladen. Door deze afremming geeft het elektron zijn kinetische energie af in de vorm van een röntgenfoton. Het gebruikte anodemateriaal is hierop niet van invloed.

Bronnen van röntgenstraling

Op aarde komen niet veel röntgenbronnen voor, wel zijn er een aantal radioactieve isotopen die stralingen in het röntgengebied uitzenden. Van buiten de aarde zijn de grootste bronnen:

• Sterren zoals onze zon: de corona van sterren en onze zon bereiken temperaturen van miljoenen graden en deze straalt daardoor in het röntgengebied van het elektromagnetische spectrum.
• Supernovaresten: de overblijfselen van een supernova-explosie zijn enorme hete gaswolken en bij deze enorme temperaturen wordt ook röntgenstraling uitgezonden.
• Zwarte gaten: zodra materie in een zwart gat valt wordt dit zo heet dat deze ook röntgenstraling afgeeft.

De gevaren van röntgenstraling

Omdat röntgenfotonen veel energie bezitten kunnen zij atomen ioniseren. Zo bestaat de kans dat röntgenstraling atomen in het lichaam ioniseert waardoor DNA-moleculen worden beschadigd. Hierdoor kunnen lichaamscellen veranderen. Beschadigd DNA in één enkele cel leidt er meestal toe dat de desbetreffende cel afsterft, maar het is mogelijk dat een cel zich ongeremd gaat delen: wat we kanker noemen. De kans hierop neemt toe naarmate van blootstelling. Röntgenstraling afkomstig van de zon wordt gelukkig tegen gehouden door de atmosfeer.

Toepassingen van röntgenstraling in het dagelijkse leven

De meest bekende toepassing van röntgenstraling is natuurlijk de röntgenfoto die talloze details van het inwendige menselijk lichaam op de fotografische plaat vastlegt. Niet enkel om te kijken of iemand botbreuken heeft maar ook preventief zoals bij het bevolkingsonderzoek ter voorkoming van borstkanker. Maar ondertussen zijn er tal van andere toepassingen gevonden waarbij het wel zo makkelijk is wanneer we door dingen heen kunnen kijken, zoals:

• Medische toepassingen: Behalve bij de gewone röntgenfotografie worden röntgenstralen ook gebruikt bij de CT-scan, fluoroscopie en radiotherapie (bestraling van kwaadaardige gezwellen).
• Luchtvaart beveiliging: hier wordt met behulp van röntgenstraling de inhoud van de bagage gecontroleerd op verboden voorwerpen (terrorismebestrijding).
• Grenscontrole: om de inhoud van vrachtauto's te controleren.
  Röntgenbeeld in valse kleuren van de supernovarest SN 1572 opgenomen door de Chandra X-Ray Observatory. / Bron: NASA, Wikimedia Commons (Publiek domein)
• Kunstwereld: door middel van röntgenstraling kan men bijvoorbeeld de oorspronkelijke schets achter een schilderij bekijken en/of eventuele veranderingen die de schilder of restaurateur heeft aangebracht.
• Industrie: röntgenstraling wordt voornamelijk ingezet als kwaliteitscontrole van laswerkzaamheden. Ook wordt röntgenstraling vaak gebruikt om materiaal in technische constructies te controleren op haarscheurtjes.
• Sterrenkunde: om het heelal te bekijken op een andere golflengte dan zichtbaar licht gebruikt men radioastronomie. Röntgenstraling dringt niet door de atmosfeer heen en daardoor is deze techniek vanaf de aarde niet mogelijk. Om dit op te lossen hebben wetenschappers de Chandra X-ray observatory in een baan buiten de atmosfeer gebracht.
• 1920: in de jaren 20 van de vorige eeuw werd röntgenstraling ook ingezet door schoenenverkopers om te zien of een schoen goed paste. Nadat bekend werd dat röntgenstraling bij veelvuldig gebruik schadelijk is voor de gezondheid werd dit verboden.

Lees verder

• Het elektromagnetisch spectrum
• Elektromagnetisch spectrum: gammastraling
• Elektromagnetisch spectrum: ultraviolette straling
• Elektromagnetisch spectrum: zichtbaar licht