Hoe X-Stralen Werken

{h1}

Röntgentoestellen lijken het onmogelijke te doen: ze zien dwars door kleding, vlees en zelfs metaal heen dankzij enkele zeer koele wetenschappelijke principes op het werk. Ontdek hoe röntgentoestellen recht naar je botten kijken.

Zoals met veel van de monumentale ontdekkingen van de mensheid, X-ray technologie werd per ongeluk volledig uitgevonden. In 1895 maakte een Duitse natuurkundige genaamd Wilhelm Roentgen de ontdekking tijdens het experimenteren met elektronenstralen in een gasontladingsbuis. Roentgen merkte dat een fluorescerend scherm in zijn lab begon te gloeien toen de elektronenstraal werd ingeschakeld. Deze reactie op zich was niet zo verrassend - fluorescerend materiaal gloeide normaal in reactie op elektromagnetische straling - maar de buis van Roentgen was omgeven door zwaar zwart karton. Roentgen nam aan dat dit het grootste deel van de straling zou hebben geblokkeerd.

Roentgen plaatste verschillende voorwerpen tussen de buis en het scherm en het scherm gloeide nog steeds. Uiteindelijk legde hij zijn hand voor de buis en zag het silhouet van zijn botten op het fluorescerende scherm geprojecteerd. Onmiddellijk nadat hij zelf röntgenfoto's had ontdekt, had hij hun meest nuttige toepassing ontdekt.

Roentgen's opmerkelijke ontdekking versnelde een van de belangrijkste medische vooruitgangen in de geschiedenis van de mensheid. Met röntgentechnologie kunnen artsen dwars door menselijk weefsel kijken om gebroken botten, gaatjes en ingeslikte voorwerpen met buitengewoon gemak te onderzoeken. Gewijzigde röntgenprocedures kunnen worden gebruikt om zachter weefsel te onderzoeken, zoals de longen, bloedvaten of de darmen.

In dit artikel zullen we precies uitvinden hoe röntgenapparatuur deze ongelooflijke truc aflevert. Het blijkt dat het basisproces echt heel eenvoudig is.

Wat is een X-Ray?

Röntgenstralen zijn in principe hetzelfde als zichtbare lichtstralen. Beide zijn golfachtige vormen van elektromagnetische energie gedragen door deeltjes die fotonen worden genoemd (zie Hoe licht werkt voor details). Het verschil tussen röntgenstralen en zichtbare lichtstralen is de energie level van de afzonderlijke fotonen. Dit wordt ook uitgedrukt als de golflengte van de stralen.

Onze ogen zijn gevoelig voor de specifieke golflengte van zichtbaar licht, maar niet voor de kortere golflengte van röntgenstraling met hogere energie of de langere golflengte van de radiogolven met lagere energie.

Zichtbare lichtfotonen en röntgenfotonen worden beide geproduceerd door de beweging van elektronen in atomen. Elektronen bezetten verschillende energieniveaus, of orbitalen, rond de atoomkern. Wanneer een elektron naar een lagere orbitaal daalt, moet het wat energie vrijmaken - het geeft de extra energie vrij in de vorm van een foton. Het energieniveau van het foton hangt af van hoe ver het elektron tussen orbitalen is gevallen. (Zie deze pagina voor een gedetailleerde beschrijving van dit proces.)

Wanneer een foton botst met een ander atoom, kan het atoom absorberen de energie van het foton door een elektron op een hoger niveau te brengen. Om dit te laten gebeuren, moet het energieniveau van het foton wedstrijd het energieverschil tussen de twee elektronenposities. Zo niet, dan kan het foton geen elektronen verplaatsen tussen orbitalen.

Hoe X-stralen werken: door


De atomen die deel uitmaken van uw lichaamsweefsel absorberen zeer goed zichtbare fotonen. Het energieniveau van het foton past bij verschillende energieverschillen tussen elektronenposities. Radiogolven hebben niet genoeg energie om elektronen te bewegen tussen orbitalen in grotere atomen, dus ze passeren de meeste dingen. Röntgenfotonen passeren ook de meeste dingen, maar om de tegenovergestelde reden: ze hebben te veel energie.

Andere röntgengebruiken De belangrijkste bijdragen van röntgentechnologie zijn in de medische wereld, maar röntgenstralen hebben ook op een aantal andere gebieden een cruciale rol gespeeld. Röntgenstralen zijn cruciaal geweest in onderzoek met betrekking tot de kwantummechanische theorie, kristallografie en kosmologie. In de industriële wereld worden röntgenscanners vaak gebruikt om kleine gebreken in zware metalen apparatuur te detecteren. En röntgenscanners zijn natuurlijk standaardapparatuur geworden op het gebied van luchthavenbeveiliging.

Ze kunnen echter een elektron helemaal van een atoom wegsturen. Een deel van de energie van het röntgenfoton werkt om het elektron van het atoom te scheiden, en de rest stuurt het elektron door de ruimte. Een groter atoom absorbeert eerder een röntgenfoton op deze manier, omdat grotere atomen grotere energieverschillen hebben tussen orbitalen - het energieniveau komt meer overeen met de energie van het foton. Kleinere atomen, waar de elektronenorbitalen worden gescheiden door relatief lage sprongen in energie, zullen minder snel röntgenfotonen absorberen.

Het zachte weefsel in uw lichaam bestaat uit kleinere atomen en absorbeert dus met name röntgenfotonen niet goed. De calciumatomen waaruit je botten bestaan ​​zijn veel groter, dus daar kunnen ze beter op het absorberen van röntgenfotonen.

In het volgende gedeelte zullen we zien hoe röntgentoestellen dit effect gebruiken.

De röntgenmachine

Het hart van een röntgenapparaat is een elektrodepaar - een kathode en een anode - die in een glazen vacuümbuis. De kathode is een verwarmd gloeidraad, zoals je kunt vinden in een oudere fluorescentielamp. De machine geeft de stroom door de gloeidraad door en verwarmt deze. De hitte sputtert elektronen weg van het gloeidraadoppervlak. De positief geladen anode, een platte schijf gemaakt van wolfraam, trekt de elektronen door de buis.

Hoe X-stralen werken: werken


Het spanningsverschil tussen de kathode en de anode is extreem hoog, waardoor de elektronen met grote kracht door de buis vliegen. Wanneer een snel bewegend elektron botst met een wolfraam-atoom, raakt het een elektron los in een van de onderste orbitalen van het atoom. Een elektron in een hogere orbitaal valt onmiddellijk naar het lagere energieniveau en geeft zijn extra energie vrij in de vorm van een foton.Het is een grote druppel, dus het foton heeft een hoog energieniveau - het is een röntgenfoton.

Hoe X-stralen werken: werken


Het vrije elektron botst met het wolfraam-atoom en stoot een elektron uit een lagere orbitaal. Een hoger orbitaal elektron vult de lege positie en laat zijn overtollige energie vrij als een foton.

Vrije elektronen kunnen ook fotonen genereren zonder een atoom te raken. De kern van een atoom kan een snelheidselektron aantrekken net genoeg om zijn koers te veranderen. Als een komeet die rond de zon zweeft, vertraagt ​​het elektron en verandert van richting terwijl het voorbij het atoom stroomt. Deze "remmende" actie zorgt ervoor dat het elektron overtollige energie afgeeft in de vorm van een röntgenfoton.

Hoe X-stralen werken: x-stralen


Het vrije elektron wordt aangetrokken door de wolfraam-atoomkern. Terwijl het elektron voorbij stroomt, verandert de kern zijn loop. Het elektron verliest energie, die het afgeeft als een röntgenfoton.

Contrastmedia In een normale röntgenfoto komt het meeste zachte weefsel niet duidelijk naar voren. Om in te zoomen op organen, of om de bloedvaten te onderzoeken die deel uitmaken van de bloedsomloop, moeten artsen introduceren contrastmedia in het lichaam.
Contrastmedia zijn vloeistoffen die röntgenstralen effectiever absorberen dan het omringende weefsel. Om organen in het spijsverterings- en endocriene systeem in beeld te brengen, zal een patiënt een contrastmediummengsel, typisch een bariumverbinding, inslikken. Als de artsen bloedvaten of andere elementen in de bloedsomloop willen onderzoeken, injecteren ze contrastmiddelen in de bloedbaan van de patiënt.
Contrastmedia worden vaak gebruikt in combinatie met een fluoroscoop. Bij fluoroscopie passeren de röntgenstralen het lichaam op een fluorescerend scherm, waardoor een bewegend röntgenbeeld ontstaat. Artsen kunnen fluoroscopie gebruiken om de passage van contrastmedia door het lichaam te volgen. Artsen kunnen de bewegende röntgenfoto's ook opnemen op film of video.

De botsingen met grote gevolgen die röntgenproductie met zich meebrengt, genereren veel warmte. Een motor roteert de anode om te voorkomen dat deze smelt (de elektronenbundel is niet altijd gericht op hetzelfde gebied). Een koel oliebad rond de envelop absorbeert ook warmte.

Het hele mechanisme is omgeven door een dik loden schild. Hierdoor blijven de röntgenstralen in alle richtingen ontsnappen. Een klein venster in het schild laat enkele van de X-ray fotonen ontsnappen in een smalle straal. De straal passeert een reeks filters op weg naar de patiënt.

Een camera aan de andere kant van de patiënt registreert het patroon van röntgenlicht dat helemaal door het lichaam van de patiënt passeert. De röntgencamera gebruikt dezelfde filmtechnologie als een gewone camera, maar röntgenlicht zet de chemische reactie in plaats van zichtbaar licht. (Zie Hoe fotografische film werkt om meer over dit proces te weten te komen.)

Over het algemeen houden artsen het filmbeeld als een negatief. Dat wil zeggen, de gebieden die worden blootgesteld aan meer licht lijken donkerder en de gebieden die worden blootgesteld aan minder licht lijken lichter. Hard materiaal, zoals bot, lijkt wit en zachter materiaal lijkt zwart of grijs. Artsen kunnen verschillende materialen in beeld brengen door de intensiteit van de röntgenbundel te variëren.

Zijn X-Rays slecht voor je?

Röntgenstralen zijn een prachtige aanvulling op de medische wereld; ze lieten artsen in een patiënt turen zonder enige operatie. Het is veel gemakkelijker en veiliger om met X-stralen naar een gebroken bot te kijken dan om een ​​patiënt te openen.

Maar röntgenstralen kunnen ook schadelijk zijn. In de vroege dagen van de röntgenwetenschap zouden heel wat artsen patiënten en zichzelf langdurig blootstellen aan de stralen. Uiteindelijk begonnen artsen en patiënten zich te ontwikkelen stralingsziekteen de medische gemeenschap wist dat er iets mis was.

Het probleem is dat röntgenstralen een vorm van zijn ioniserende straling. Wanneer normaal licht een atoom raakt, kan het het atoom op geen enkele belangrijke manier veranderen. Maar wanneer een röntgenstraal een atoom raakt, kan het elektronen van het atoom af slaan om er een te maken ion, een elektrisch geladen atoom. Vrije elektronen botsen dan met andere atomen om meer ionen te creëren.

De elektrische lading van een ion kan leiden tot onnatuurlijke chemische reacties in cellen. De lading kan onder andere DNA-ketens breken. Een cel met een gebroken DNA-streng zal sterven of het DNA zal een mutatie ontwikkelen. Als er veel cellen afsterven, kan het lichaam verschillende ziektes ontwikkelen. Als het DNA muteert, kan een cel kankerachtig worden en deze kanker kan zich verspreiden. Als de mutatie zich in een sperma of eicel bevindt, kan dit leiden tot aangeboren afwijkingen. Vanwege al deze risico's gebruiken artsen tegenwoordig spaarzaam röntgenfoto's.

Zelfs met deze risico's is röntgenscannen nog steeds een veiligere optie dan een operatie. Röntgentoestellen zijn een onschatbaar hulpmiddel in de geneeskunde, evenals een troef in veiligheid en wetenschappelijk onderzoek. Ze zijn echt een van de meest nuttige uitvindingen aller tijden.

Raadpleeg de links op de volgende pagina voor meer informatie over röntgen- en röntgentoestellen.

gerelateerde artikelen

  • The Ultimate Human Body Quiz
  • Hoe licht werkt
  • Hoe Atomen werken
  • Hoe MRI werkt
  • Hoe nucleaire geneeskunde werkt
  • Hoe Ultrasound werkt
  • Bepalen bepaalde radiogolffrequenties gezondheidsrisico's?
  • Hoe ver dringt ultraviolet licht in het lichaam?

Meer goede links

  • X-Rays: een andere vorm van licht
  • Een goedkope röntgenmachine
  • De interactie van straling met materie
  • Generatie en eigenschappen van X-stralen
  • Overzicht van X-ray Computed Tomography
  • Stralingsdeskundige waarschuwt voor gevaar door overmatig gebruik van medische röntgenfoto's


Video Supplement: Natuurkundeles HV3 5.1 Rontgenstraling en radioactieve stoffen.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com