Wat weten we over röntgenstraling?

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

In de 19e eeuw leek straling die onzichtbaar is voor het menselijk oog, in staat om door vlees en andere materialen te gaan, iets helemaal fantastisch. Nu worden röntgenstralen veel gebruikt om medische beelden te maken, bestralingstherapie uit te voeren, kunstwerken te analyseren en kernenergieproblemen op te lossen.

Hoe röntgenstraling werd ontdekt en hoe het mensen helpt, ontdekken we samen met natuurkundige Alexander Nikolajevitsj Dolgov.

De ontdekking van röntgenstralen

Vanaf het einde van de 19e eeuw begon de wetenschap een fundamenteel nieuwe rol te spelen bij het vormgeven van het wereldbeeld. Een eeuw geleden waren de activiteiten van wetenschappers van amateuristische en particuliere aard. Maar tegen het einde van de 18e eeuw, als gevolg van de wetenschappelijke en technologische revolutie, veranderde de wetenschap in een systematische activiteit waarin elke ontdekking mogelijk werd dankzij de bijdrage van vele specialisten.

Onderzoeksinstituten, periodieke wetenschappelijke tijdschriften begonnen te verschijnen, concurrentie en strijd ontstonden voor de erkenning van auteursrechten voor wetenschappelijke prestaties en technische innovaties. Al deze processen vonden plaats in het Duitse rijk, waar de keizer tegen het einde van de 19e eeuw wetenschappelijke prestaties aanmoedigde die het aanzien van het land op het wereldtoneel verhoogden.

Een van de wetenschappers die in deze periode met enthousiasme werkte, was de hoogleraar natuurkunde, rector van de universiteit van Würzburg, Wilhelm Konrad Roentgen. Op 8 november 1895 bleef hij laat in het laboratorium, zoals vaak gebeurde, en besloot een experimenteel onderzoek uit te voeren naar de elektrische ontlading in glazen vacuümbuizen. Hij verduisterde de kamer en wikkelde een van de buizen in ondoorzichtig zwart papier om het gemakkelijker te maken om de optische verschijnselen die met de ontlading gepaard gaan, waar te nemen. Tot mijn verbazing

Röntgen zag een fluorescentieband op een nabijgelegen scherm bedekt met bariumcyanoplatinietkristallen. Het is onwaarschijnlijk dat een wetenschapper zich toen kon voorstellen dat hij aan de vooravond stond van een van de belangrijkste wetenschappelijke ontdekkingen van zijn tijd. Volgend jaar zullen er meer dan duizend publicaties over röntgen worden geschreven, artsen zullen de uitvinding onmiddellijk in gebruik nemen, hierdoor zal in de toekomst radioactiviteit worden ontdekt en zullen nieuwe richtingen van de wetenschap verschijnen.

Röntgen wijdde de volgende weken aan het onderzoeken van de aard van de onbegrijpelijke gloed en ontdekte dat fluorescentie verscheen wanneer hij stroom op de buis zette. De buis was de bron van de straling, niet een ander deel van het elektrische circuit. Omdat hij niet wist waar hij mee te maken had, besloot Röntgen dit fenomeen aan te duiden als röntgenstralen of röntgenstralen. Verder ontdekte Roentgen dat deze straling bijna alle objecten kan doordringen tot op verschillende diepten, afhankelijk van de dikte van het object en de dichtheid van de stof.

Zo bleek een kleine loden schijf tussen de ontladingsbuis en het scherm ondoordringbaar voor röntgenstralen, en de botten van de hand wierpen een donkerdere schaduw op het scherm, omringd door een lichtere schaduw van zachte weefsels. Al snel ontdekte de wetenschapper dat de röntgenstralen niet alleen de gloed van het met bariumcyanoplatiniet bedekte scherm veroorzaken, maar ook het donker worden van fotografische platen (na ontwikkeling) op die plaatsen waar de röntgenstralen op de fotografische emulsie vielen.

Tijdens zijn experimenten was Roentgen ervan overtuigd dat hij straling had ontdekt die de wetenschap niet kende. Op 28 december 1895 deed hij verslag van de onderzoeksresultaten in een artikel "Over een nieuw type straling" in het tijdschrift Annals of Physics and Chemistry. Tegelijkertijd stuurde hij wetenschappers de foto's van de hand van zijn vrouw, Anna Bertha Ludwig, die later beroemd werd.

Dankzij Roentgens oude vriend, de Oostenrijkse natuurkundige Franz Exner, waren de inwoners van Wenen de eersten die deze foto's op 5 januari 1896 zagen op de pagina's van de krant Die Presse. De volgende dag werd informatie over de opening doorgegeven aan de krant London Chronicle. Dus de ontdekking van Roentgen begon geleidelijk in het dagelijkse leven van mensen te komen. Praktische toepassing werd vrijwel onmiddellijk gevonden: op 20 januari 1896 behandelden artsen in New Hampshire een man met een gebroken arm met behulp van een nieuwe diagnostische methode - een röntgenfoto.

Vroeg gebruik van röntgenstralen

In de loop van een aantal jaren zijn röntgenfoto's actief begonnen te worden gebruikt voor nauwkeurigere operaties. Al 14 dagen na hun opening maakte Friedrich Otto Valkhoff de eerste tandheelkundige röntgenfoto. En daarna richtten ze samen met Fritz Giesel het eerste tandheelkundige röntgenlaboratorium ter wereld op.

Tegen 1900, 5 jaar na de ontdekking ervan, werd het gebruik van röntgenstralen bij de diagnose beschouwd als een integraal onderdeel van de medische praktijk.

De statistieken die zijn opgesteld door het oudste ziekenhuis in Pennsylvania kunnen worden beschouwd als indicatief voor de verspreiding van technologieën op basis van röntgenstraling. Volgens haar kreeg in 1900 slechts ongeveer 1-2% van de patiënten hulp bij röntgenfoto's, terwijl dat in 1925 al 25% was.

Röntgenstraling werd destijds op een zeer ongebruikelijke manier gebruikt. Ze werden bijvoorbeeld gebruikt om ontharingsdiensten te verlenen. Lange tijd werd deze methode als de voorkeur beschouwd in vergelijking met de meer pijnlijke - een tang of was. Bovendien zijn röntgenstralen gebruikt in apparaten voor het passen van schoenen - try-on fluoroscopen (pedoscopen). Dit waren röntgenapparaten met een speciale inkeping voor de voeten, evenals vensters waardoor de klant en de verkopers konden beoordelen hoe de schoenen zaten.

Het vroege gebruik van röntgenbeeldvorming vanuit een modern veiligheidsperspectief roept veel vragen op. Het probleem was dat er op het moment van de ontdekking van röntgenstraling vrijwel niets bekend was over straling en de gevolgen ervan, en daarom hebben de pioniers die de nieuwe uitvinding gebruikten, in hun eigen ervaring met de schadelijke effecten ervan geconfronteerd. werd een massaverschijnsel aan het begin van de 19e eeuw. XX eeuw, en mensen begonnen geleidelijk de gevaren van hersenloos gebruik van röntgenstralen te beseffen.

De aard van de röntgenstralen

Röntgenstraling is elektromagnetische straling met fotonenergieën van ~ 100 eV tot 250 keV, die op de schaal van elektromagnetische golven ligt tussen ultraviolette straling en gammastraling. Het maakt deel uit van de natuurlijke straling die optreedt in radio-isotopen wanneer de atomen van de elementen worden geëxciteerd door een stroom elektronen, alfadeeltjes of gammaquanta, waarbij elektronen uit de elektronenschillen van het atoom worden uitgestoten. Röntgenstraling treedt op wanneer geladen deeltjes met versnelling bewegen, in het bijzonder wanneer elektronen worden vertraagd, in het elektrische veld van atomen van een stof.

Er wordt onderscheid gemaakt tussen zachte en harde röntgenstraling, waarvan de conditionele grens op de golflengteschaal ongeveer 0,2 nm is, wat overeenkomt met een fotonenergie van ongeveer 6 keV. Röntgenstraling is zowel penetrerend, vanwege de korte golflengte, als ioniserend, aangezien het, wanneer het door een stof gaat, een interactie aangaat met elektronen, waardoor ze uit atomen worden geslagen, waardoor ze in ionen en elektronen worden gebroken en de structuur van de stof op de die het handelt.

Röntgenstralen zorgen ervoor dat een chemische verbinding genaamd fluorescentie gloeit. Het bestralen van de atomen van het monster met hoogenergetische fotonen veroorzaakt de emissie van elektronen - ze verlaten het atoom. In een of meer elektronenorbitalen worden "gaten" gevormd - vacatures, waardoor de atomen in een aangeslagen toestand gaan, dat wil zeggen dat ze onstabiel worden. Miljoensten van een seconde later keren de atomen terug naar een stabiele toestand, wanneer de vacatures in de binnenste orbitalen worden gevuld met elektronen uit de buitenste orbitalen.

Deze overgang gaat gepaard met de emissie van energie in de vorm van een secundair foton, waardoor fluorescentie ontstaat.

Röntgenastronomie

Op aarde komen we zelden röntgenstraling tegen, maar het wordt vrij vaak in de ruimte gevonden. Daar komt het van nature voor door de activiteit van veel ruimtevoorwerpen. Dit maakte röntgenastronomie mogelijk. De energie van röntgenfotonen is veel hoger dan die van optische, daarom zendt het in het röntgenbereik een stof uit die tot extreem hoge temperaturen wordt verwarmd.

Deze kosmische bronnen van röntgenstraling zijn voor ons geen waarneembaar onderdeel van de natuurlijke achtergrondstraling en vormen daarom op geen enkele manier een bedreiging voor de mens. De enige uitzondering kan zo'n bron van harde elektromagnetische straling zijn als een supernova-explosie, die dicht genoeg bij het zonnestelsel plaatsvond.

Hoe maak je röntgenfoto's kunstmatig?

Röntgenapparaten worden nog steeds veel gebruikt voor niet-destructieve introscopy (röntgenbeelden in de geneeskunde, foutdetectie in de technologie). Hun hoofdbestanddeel is een röntgenbuis, die bestaat uit een kathode en een anode. De buiselektroden zijn aangesloten op een hoogspanningsbron, meestal tientallen of zelfs honderdduizenden volt. Bij verhitting zendt de kathode elektronen uit, die worden versneld door het opgewekte elektrische veld tussen de kathode en de anode.

Bij een botsing met de anode worden de elektronen afgeremd en verliezen ze het grootste deel van hun energie. In dit geval verschijnt remstraling van het röntgenbereik, maar het overheersende deel van de elektronenenergie wordt omgezet in warmte, zodat de anode wordt gekoeld.

De röntgenbuis met constante of pulserende werking is nog steeds de meest wijdverbreide bron van röntgenstraling, maar het is verre van de enige. Om stralingspulsen met hoge intensiteit te verkrijgen, worden ontladingen met hoge stroom gebruikt, waarbij het plasmakanaal van de stromende stroom wordt gecomprimeerd door zijn eigen magnetische veld van de stroom - het zogenaamde knijpen.

Als de ontlading plaatsvindt in een medium van lichte elementen, bijvoorbeeld in een waterstofmedium, dan speelt het de rol van een effectieve versneller van elektronen door het elektrische veld dat in de ontlading zelf ontstaat. Deze ontlading kan het veld opgewekt door een externe stroombron aanzienlijk overschrijden. Op deze manier worden pulsen van harde röntgenstraling met hoge energie van gegenereerde quanta (honderden kiloelektronvolts), die een hoog doordringend vermogen hebben, verkregen.

Om röntgenstralen in een breed spectraal bereik te verkrijgen, worden elektronenversnellers - synchrotrons gebruikt. Daarin wordt straling gevormd in een ringvormige vacuümkamer, waarin een nauw gerichte bundel van hoogenergetische elektronen, versneld tot bijna de lichtsnelheid, in een cirkelvormige baan beweegt. Tijdens rotatie, onder invloed van een magnetisch veld, zenden vliegende elektronen bundels van fotonen tangentieel aan de baan uit in een breed spectrum, waarvan het maximum op het röntgenbereik valt.

Hoe röntgenstralen worden gedetecteerd

Lange tijd werd een dunne laag fosfor of fotografische emulsie aangebracht op het oppervlak van een glasplaat of transparante polymeerfilm gebruikt om röntgenstraling te detecteren en te meten. De eerste schitterde in het optische bereik van het spectrum onder invloed van röntgenstraling, terwijl de optische transparantie van de coating in de film veranderde onder invloed van een chemische reactie.

Op dit moment worden elektronische detectoren meestal gebruikt om röntgenstraling te registreren - apparaten die een elektrische puls genereren wanneer een hoeveelheid straling wordt geabsorbeerd in het gevoelige volume van de detector. Ze verschillen in het principe van het omzetten van de energie van de geabsorbeerde straling in elektrische signalen.

Röntgendetectoren met elektronische registratie kunnen worden onderverdeeld in ionisatie, waarvan de werking gebaseerd is op de ionisatie van een stof, en radioluminescent, inclusief scintillatie, waarbij gebruik wordt gemaakt van de luminescentie van een stof onder inwerking van ioniserende straling. Ionisatiedetectoren zijn op hun beurt onderverdeeld in gasgevuld en halfgeleider, afhankelijk van het detectiemedium.

De belangrijkste typen gasgevulde detectoren zijn ionisatiekamers, geigertellers (Geiger-Muller-tellers) en proportionele gasontladingstellers. Stralingsquanta die de werkomgeving van de teller binnenkomen, veroorzaken ionisatie van het gas en de stroomstroom, die wordt geregistreerd. In een halfgeleiderdetector worden onder invloed van stralingsquanta elektron-gatparen gevormd, die het ook mogelijk maken dat er een elektrische stroom door het lichaam van de detector vloeit.

Het belangrijkste onderdeel van scintillatietellers in een vacuümapparaat is een fotomultiplicatorbuis (PMT), die het foto-elektrische effect gebruikt om straling om te zetten in een stroom geladen deeltjes en het fenomeen van secundaire elektronenemissie om de stroom van de gegenereerde geladen deeltjes te verbeteren. De fotomultiplicator heeft een fotokathode en een systeem van opeenvolgende versnellingselektroden - dynodes, waarop versnelde elektronen zich vermenigvuldigen.

Secundaire elektronenvermenigvuldiger is een open vacuümapparaat (werkt alleen onder vacuümomstandigheden), waarin röntgenstraling aan de ingang wordt omgezet in een stroom primaire elektronen en vervolgens wordt versterkt door de secundaire emissie van elektronen terwijl ze zich voortplanten in het vermenigvuldigingskanaal.

Microkanaalplaten, een groot aantal afzonderlijke microscopisch kleine kanalen die de plaatdetector binnendringen, werken volgens hetzelfde principe. Ze kunnen bovendien zorgen voor ruimtelijke resolutie en de vorming van een optisch beeld van de dwarsdoorsnede van de flux die invalt op de detector van röntgenstraling door de uitgaande elektronenstroom van een semitransparant scherm met daarop een fosfor te bombarderen.

Röntgenfoto's in de geneeskunde

Het vermogen van röntgenstralen om door materiële objecten te schijnen, geeft mensen niet alleen de mogelijkheid om eenvoudige röntgenfoto's te maken, maar opent ook mogelijkheden voor geavanceerdere diagnostische hulpmiddelen. Het vormt bijvoorbeeld de kern van computertomografie (CT).

De röntgenbron en -ontvanger draaien in de ring waarin de patiënt ligt. De verkregen gegevens over hoe de weefsels van het lichaam röntgenstralen absorberen, worden door een computer gereconstrueerd tot een 3D-beeld. CT is vooral belangrijk voor het diagnosticeren van een beroerte, en hoewel het minder nauwkeurig is dan magnetische resonantiebeeldvorming van de hersenen, kost het veel minder tijd.

Een relatief nieuwe richting, die zich nu ontwikkelt in de microbiologie en geneeskunde, is het gebruik van zachte röntgenstraling. Wanneer een levend organisme doorschijnend is, is het mogelijk om een afbeelding van bloedvaten te verkrijgen, om de structuur van zachte weefsels in detail te bestuderen en zelfs om microbiologische studies op cellulair niveau uit te voeren.

Een röntgenmicroscoop die gebruik maakt van straling van een knijpontlading in het plasma van zware elementen maakt het mogelijk om dergelijke details van de structuur van een levende cel te zien,die zelfs in een speciaal voorbereide celstructuur niet door een elektronenmicroscoop kan worden gezien.

Een van de soorten bestralingstherapie die wordt gebruikt om kwaadaardige tumoren te behandelen, maakt gebruik van harde röntgenstralen, wat mogelijk wordt vanwege het ioniserende effect, dat het weefsel van een biologisch object vernietigt. In dit geval wordt een elektronenversneller gebruikt als stralingsbron.

Radiografie in technologie

Zachte röntgenstralen worden gebruikt in onderzoek dat gericht is op het oplossen van het probleem van gecontroleerde thermonucleaire fusie. Om het proces te starten, moet je een terugslag-schokgolf creëren door een klein deuterium- en tritium-doelwit te bestralen met zachte röntgenstralen van een elektrische ontlading en de schaal van dit doelwit onmiddellijk te verwarmen tot een plasmatoestand.

Deze golf comprimeert het doelmateriaal tot een dichtheid die duizenden keren hoger is dan de dichtheid van een vaste stof, en verwarmt het tot een thermonucleaire temperatuur. Het vrijkomen van thermonucleaire fusie-energie vindt in korte tijd plaats, terwijl het hete plasma door traagheid wordt verstrooid.

De mogelijkheid tot doorschijnendheid maakt radiografie mogelijk - een beeldvormende techniek waarmee u de interne structuur van bijvoorbeeld een ondoorzichtig object van metaal kunt weergeven. Het is onmogelijk om met het oog vast te stellen of de brugconstructies stevig zijn gelast, of de naad bij de gasleiding luchtdicht is en of de rails goed op elkaar aansluiten.

Daarom wordt in de industrie röntgenstraling gebruikt voor het detecteren van fouten - het bewaken van de betrouwbaarheid van de belangrijkste werkeigenschappen en parameters van een object of zijn afzonderlijke elementen, waarbij het object niet buiten bedrijf gesteld of gedemonteerd hoeft te worden.

Röntgenfluorescentiespectrometrie is gebaseerd op het effect van fluorescentie - een analysemethode die wordt gebruikt om de concentraties van elementen van beryllium tot uranium in het bereik van 0,0001 tot 100% in stoffen van verschillende oorsprong te bepalen.

Wanneer een monster wordt bestraald met een krachtige stralingsstroom uit een röntgenbuis, verschijnt karakteristieke fluorescentiestraling van atomen, die evenredig is met hun concentratie in het monster. Op dit moment maakt vrijwel elke elektronenmicroscoop het mogelijk om zonder enige moeite de gedetailleerde elementsamenstelling van de bestudeerde micro-objecten te bepalen met behulp van de methode van röntgenfluorescentie-analyse.

Röntgenfoto's in de kunstgeschiedenis

Het vermogen van röntgenstralen om door te schijnen en een fluorescentie-effect te creëren, wordt ook gebruikt om schilderijen te bestuderen. Wat onder de toplaag verborgen zit, kan veel vertellen over de ontstaansgeschiedenis van het canvas. Het is bijvoorbeeld in het vakkundige werk met meerdere verflagen dat een afbeelding uniek kan worden gevonden in het werk van een kunstenaar. Het is ook belangrijk om rekening te houden met de structuur van de lagen van het schilderij bij het kiezen van de meest geschikte opslagomstandigheden voor het canvas.

Voor dit alles is röntgenstraling onontbeerlijk, zodat u zonder schade onder de bovenste lagen van het beeld kunt kijken.

Belangrijke ontwikkelingen in deze richting zijn nieuwe methoden gespecialiseerd in het werken met kunstwerken. Macroscopische fluorescentie is een variant van röntgenfluorescentie-analyse die zeer geschikt is voor het visualiseren van de distributiestructuur van belangrijke elementen, voornamelijk metalen, aanwezig in gebieden van ongeveer 0,5-1 vierkante meter of meer.

Aan de andere kant lijkt röntgenlaminografie, een variant van computerröntgentomografie, die meer geschikt is voor het bestuderen van vlakke oppervlakken, veelbelovend voor het verkrijgen van afbeeldingen van afzonderlijke lagen van een afbeelding. Deze methoden kunnen ook worden gebruikt om de chemische samenstelling van de verflaag te bestuderen. Hierdoor kan het doek worden gedateerd, onder meer om een vervalsing te identificeren.

Met röntgenstralen kun je de structuur van een stof achterhalen

Röntgenkristallografie is een wetenschappelijke richting die verband houdt met de identificatie van de structuur van materie op atomair en moleculair niveau. Een onderscheidend kenmerk van kristallijne lichamen is een meervoudig geordende herhaling in de ruimtelijke structuur van dezelfde elementen (cellen), bestaande uit een bepaalde reeks atomen, moleculen of ionen.

De belangrijkste onderzoeksmethode bestaat uit het blootstellen van een kristallijn monster aan een smalle bundel röntgenstralen met behulp van een röntgencamera. De resulterende foto toont een afbeelding van verstrooide röntgenstralen die door het kristal gaan, van waaruit wetenschappers vervolgens de ruimtelijke structuur, het kristalrooster genaamd, visueel kunnen weergeven. Verschillende manieren om deze methode te implementeren worden röntgenstructuuranalyse genoemd.

De röntgenstructuuranalyse van kristallijne stoffen bestaat uit twee fasen:

1. Bepaling van de grootte van de eenheidscel van het kristal, het aantal deeltjes (atomen, moleculen) in de eenheidscel en de symmetrie van de rangschikking van deeltjes. Deze gegevens worden verkregen door de geometrie van de locatie van de diffractiemaxima te analyseren.
2. Berekening van de elektronendichtheid in de eenheidscel en bepaling van de atomaire coördinaten, die worden geïdentificeerd met de positie van de elektronendichtheidsmaxima. Deze gegevens worden verkregen door de intensiteit van de diffractiemaxima te analyseren.

Sommige moleculair biologen voorspellen dat bij het in beeld brengen van de grootste en meest complexe moleculen, röntgenkristallografie kan worden vervangen door een nieuwe techniek die cryogene elektronenmicroscopie wordt genoemd.

Een van de nieuwste instrumenten op het gebied van chemische analyse was de filmscanner van Henderson, die hij gebruikte bij zijn baanbrekende werk in de cryogene elektronenmicroscopie. Deze methode is echter nog steeds vrij duur en zal daarom in de nabije toekomst waarschijnlijk niet volledig de röntgenkristallografie vervangen.

Een relatief nieuw gebied van onderzoek en technische toepassingen in verband met het gebruik van röntgenstralen is röntgenmicroscopie. Het is ontworpen om een vergroot beeld te krijgen van het bestudeerde object in de echte ruimte in twee of drie dimensies met behulp van focusserende optica.

De diffractielimiet van ruimtelijke resolutie in röntgenmicroscopie vanwege de kleine golflengte van de gebruikte straling is ongeveer 1000 keer beter dan de overeenkomstige waarde voor een optische microscoop. Bovendien maakt het doordringende vermogen van röntgenstraling het mogelijk om de interne structuur te bestuderen van monsters die volledig ondoorzichtig zijn voor zichtbaar licht.

En hoewel elektronenmicroscopie het voordeel heeft van een iets hogere ruimtelijke resolutie, is het geen niet-destructieve onderzoeksmethode, omdat het een vacuüm en monsters met metalen of gemetalliseerde oppervlakken vereist, wat volledig destructief is, bijvoorbeeld voor biologische objecten.