Bouw van materie

Welkom bij de eerste les van de module “De aard van röntgenstraling”. De module bestaat in totaal uit 7 lessen en wordt afgesloten met een quiz. Indien u voldoende vragen juist hebt beantwoord hebt u de module succesvol afgerond en ontvangt u een certificaat. Hebt u geen tijd de module in één keer af te ronden? Geen probleem, u kunt later via “mijn account” de nascholing vervolgen. Succes!

Om meer te begrijpen van röntgenstraling, de opwekking ervan en afscherming van straling is wat basiskennis noodzakelijk van atoombouw en van de betekenis van termen als ioniserend en elektromagnetisch.

*U kunt kiezen om de animatie te bekijken, zelf de tekst te lezen of mee te lezen wanneer u luistert.

Atomen en moleculen

Atomen

Alle materialen om ons heen bestaan uit hele kleine bouwstenen: atomen. Atomen zijn de kleinste bouwstenen die er zijn van de stoffen om ons heen. Er zijn bijvoorbeeld waterstofatomen, ijzeratomen of zuurstofatomen. Zouden we een atoom verder ‘ontleden’ dan verliest het de eigenschappen van de stof. Al deze bouwstenen (elementen) zijn weergegeven in het periodiek systeem der elementen.

Een atoom bestaat uit een positief geladen kern (+) en negatief geladen elektronen (-) in schillen om de kern. Het eenvoudigste atoom is het waterstofatoom (figuur 1). Dit atoom heeft één positief geladen kerndeeltje, een proton, en daarom heen bevindt zich één elektron in de schil. In het geheel is het atoom ongeladen. Alle andere stoffen hebben meer kerndeeltjes en meestal meer elektronen in de schil(len) er om heen. De kern kan neutronen en protonen bevatten. Neutronen zijn ongeladen deeltjes en werken als een lijmmiddel om de positieve protonen bij elkaar in de kern te houden. Hoe meer protonen hoe groter de verhouding neutronen/protonen wordt. In figuur 2 is een heliumatoom weergegeven, met 2 protonen en 2 neutronen in de kern en 2 elektronen in de schillen.

Notatie van een element
In de afbeelding hiernaast ziet u hoe de officiële notatie van een element is. De A staat voor het massagetal, en de Z voor het atoomnummer, daarnaast staat de afkorting van het element. Het massagetal is de som van het aantal protonen en neutronen in de kern. Het atoomnummer geeft het aantal protonen in de kern weer. Dat aantal is tevens bepalend voor het element. Aluminium heeft bijvoorbeeld áltijd 13 protonen in de kern. Met een meer of minder wordt het een ander element. Het aantal neutronen kan men uitrekenen = A-Z. Voor Aluminium kan men dus uitrekenen dat dat er 27 – 13 = 14 neutronen zijn. Het aantal neutronen kan bij een element wél variëren, dan spreken we over isotopen. Bekende isotopen zijn bv. 235-U en 238-U (Uranium) of 123-I en 131-I (jodium). De Z-waarde wordt vaak weggelaten omdat dat geen extra informatie geeft wanneer met de naam van het element weet.

De Z-waarde is wel belangrijk voor de stralingsbescherming. Het aantal protonen bepaalt tevens het aantal elektronen, zodat er een niet geladen atoom ontstaat. Dit bepaalt weer de kans op wisselwerking. De Z-waarde zal daarom in deze nascholing, bijvoorbeeld bij interactie en afscherming genoemd worden.

Ionen

Omdat de kern positief geladen is en het elektron negatief trekken ze elkaar aan. Het kost dan ook energie om een elektron uit de schil te stoten. Als dat gebeurt ontstaat er een ion: een atoom met één of meerdere ontbrekende elektronen (Figuur 3).

Moleculen

De meeste materialen bestaan uit moleculen. Dat zijn meerdere atomen aan elkaar verbonden, vaak van verschillende typen atomen. Bijvoorbeeld water, een watermolecuul wordt gevormd door twee waterstofatomen en een zuurstofatoom (H₂O). Een ander molecuul is een waterstofmolecuul. In figuur 4 zijn twee waterstofatomen gebonden tot een waterstofmolecuul via een elektronenbinding. De elektronen vormen een paar en zorgen voor de binding in het molecuul. Wanneer een ionisatie daar plaatsvindt zal de verbinding worden verbroken.

Ioniserende straling
Röntgenstraling is ioniserende straling. Dat wil zeggen dat de straling in staat is ionen te vormen. De straling bevat zoveel energie dat het in staat is een elektron uit de schil weg te stoten. Als je nogmaals kijkt naar figuur 3 ontstaat er bij ionisatie een heliumion. Als je kijkt naar figuur 4 wordt er niet alleen een ion gevormd, maar wordt er ook schade aangebracht aan de binding van het molecuul. Wanneer het DNA-molecuul wordt geïoniseerd kan dat leiden tot schade aan het DNA. Bij de module ‘Biologische effecten van röntgenstraling’ gaan we hier verder op in.

Niet alleen röntgenstraling is in staat ionen te vormen, maar bijvoorbeeld ook alfa-, bèta- en gammastraling is ioniserende straling. Deze stralingsvormen zijn afkomstig van radioactieve stoffen.

type straling	omschrijving van de deeltjes	massa	lading
α	⁴Helium kern, 2 protonen en 2 neutronen	Ja, relatief veel	2+
β	e^– , elektron	Ja, relatief weinig	1-
γ	foton	geen	geen
röntgen	foton	geen	geen

Aangeslagen toestand
Een atoom kan zich ook in de aangeslagen toestand bevinden door interactie met bijvoorbeeld röntgenstraling of een elektron. Een aangeslagen toestand is een toestand met een hoger energieniveau dan de grondtoestand. Een schilelektron heeft niet het atoom verlaten, zoals bij een ionisatie, maar is in een meer naar buitengelegen schil gebracht. Wanneer een elektron zich in de aangeslagen toestand bevindt, kan deze terugvallen naar de grondtoestand (naar de dichter bij de kern gelegen schil) en zendt daarbij een foton uit. De hoeveelheid energie van het uitgezonden foton is karakteristiek voor het atoom, deze vorm van röntgenstraling wordt karakteristieke straling genoemd.

Elektromagnetische straling

Röntgenstraling is een vorm van elektromagnetische straling (EM-straling). EM-straling is een stralingssoort zonder massa of lading, het wordt gezien als golven of energiepakketjes, fotonen of quanten genoemd. Er bestaan veel andere soorten EM-straling: bijvoorbeeld straling rondom hoogspanningsmasten, microgolven en zichtbaar licht.

In figuur 6 is het elektromagnetisch spectrum weergegeven. Onderaan de horizontale balk staan de golflengten weergegeven. Van hele lange golven, links op de balk, tot de hele korte golven, rechts. De EM-straling helemaal rechts in het spectrum, heeft per stralingsdeeltje genoeg energie om een atoom te ioniseren. Rechts op de balk vinden we dus röntgenstraling. Gammastraling van radioactieve stoffen (zoals bijvoorbeeld van technetium op nucleaire geneeskunde) is ook ioniserende EM-straling. Andere vormen van EM-straling zijn niet in staat atomen te ioniseren, zoals bijvoorbeeld zichtbaar licht. Deze vormen van straling zijn misschien wel schadelijk voor de mens, maar niet volgens hetzelfde werkingsmechanisme.

Alfa- , bèta en neutronen straling is wel ioniserend, maar is geen EM-straling, deze vormen van straling hebben namelijk wel massa.

Bronnen:

Fysica voor beeldvorming en radiotherapie; J. Scheurleer, 2017

Inleiding tot de Stralingshygiëne; A.J.J. Bos e.a.; 2009