Wat zijn röntgengolven?

Wolf-Rayet ster
De Wolf-Rayet ster HD 50896 en de door de ster veroorzaakte gasbel S308. De opname is gemaakt met de XMM-Newton ruimtetelescoop. Dit is een röntgentelescoop van de ESA die in een baan om de Aarde draait.

Röntgenstralen zijn het type elektromagnetische straling dat vermoedelijk het best bekend is omdat het door je huid heen kan kijken en de botten van je skelet laat zien. Technologische vooruitgang heeft er voor gezorgd dat we sterkere en meer gerichte röntgenstralen kunnen maken en bovendien zijn er meer toepassingen voor deze vorm van lichtgolven. Ze kunnen ook worden ingezet voor het bekijken van kleine biologische cellen maar ook voor het bestuderen van de structuur van materialen zoals cement of het doden van kankercellen.

Röntgenstralen worden ruwweg opgedeeld in zachte röntgenstralen en harde röntgenstralen. Zachte röntgenstralen hebben relatief korte golflengtes van ongeveer 10 nanometer (een nanometer is het miljardste van een meter) en ze vallen dus in het elektromagnetische spectrum tussen de ultraviolette en de gammastraling. Harde röntgenstralen hebben een golflengte van ongeveer 100 picometer (een picometer is het biljoenste van een meter). Deze elektromagnetische golven beslaan hetzelfde gebied van het EM-spectrum als gammastraling. Het enige verschil tussen de beiden is hun bron: röntgenstralen worden geproduceerd door versnellende elektronen terwijl gammastralen worden geproduceerd door atoomkernen in een van de vier kernreacties.

Geschiedenis van röntgenstralen

Röntgenstralen werden in 1895 ontdekt door professor Wilhelm Conrad Röntgen van de universiteit van Würzberg in Duitsland. Röntgen zag kristallen in de buurt van een hoogspanningskathodebuis die een fluorescerende gloed vertoonden. Zelfs als hij ze met donker papier afdekte. Er werd door de buis een vorm van energie geproduceerd die het papier binnendrong en de kristallen deed gloeien. Röntgen noemde de onbekende energie “röntgenstraling”. Experimenten toonden aan dat deze straling wel in zachte weefsels kon doordringen maar niet in bot. Dit leverde schaduwbeelden op fotografische platen op.

Voor zijn ontdekking kreeg Röntgen in 1901 de allereerste Nobelprijs voor de natuurkunde.

Röntgenbronnen en effecten

Op Aarde kunnen röntgenstralen worden geproduceerd door een hoogenergetische bundel elektronen te sturen die op een atoom, bijvoorbeeld koper of gallium, inslaan. Als de bundel het atoom raakt dan worden de atomen in de binnenste schil, de s-schil, verdrongen en soms uit hun baan geslingerd. Zonder dat elektron of elektronen wordt het atoom instabiel. Om te relaxeren, terug te komen in een stabiele situatie, gaat er een elektron van de zogenoemde 1p-schil naar de s-schil om het ontstane gat weer op te vullen. Dit resulteert in het vrijkomen van een röntgenstraal.

Het probleem is dat de fluorescentie, het geproduceerde röntgenlicht, alle kanten op gaat en het is niet heel erg gemakkelijk om een energierijke, heldere bron van röntgenstralen te maken.

Dat kan wel in een cyclotron. Dit is een type deeltjesversneller die geladen deeltjes zoals elektronen in een gesloten ronde baan versneld. Basisnatuurkunde zegt dat wanneer je een geladen deeltje versneld het licht afgeeft. Het type licht hangt af van de energie van de elektronen (of andere geladen deeltjes) en het magneetveld dat ze in de cirkel rond duwt.

Omdat de synchrotron-elektronen tot bijna de lichtsnelheid worden geduwd geven ze enorme hoeveelheden energie af. Dat is met name röntgenenergie. Niet zomaar röntgenenergie maar een zeer krachtige straal gebundeld röntgenlicht.

In 1947 werd synchrotronstraling voor het eerst waargenomen bij General Electric in de Verenigde Staten. Deze straling werd als hinderlijk beschouwd omdat ze ervoor zorgde dat de deeltjes energie verloren. Maar later in de jaren ’60 werd de straling erkent als licht met zeer uitzonderlijke eigenschappen die de tekortkomingen van röntgenbuizen op konden heffen.

Een interessant kenmerk van synchrotronstraling is dat het gepolariseerd is. Dit wil zeggen dat de elektrische en magnetische velden van de fotonen allemaal in dezelfde richting oscilleren. Die richting kan zowel lineair als cirkelvormig zijn.

Omdat elektronen relativistisch zijn (ze bewegen met bijna de snelheid van het licht) wordt het, wanneer ze licht afgeven, in voorwaartse richting gebundeld. Dit betekent dat je niet alleen de juiste kleur röntgenstralen krijgt en niet alleen veel omdat je veel elektronen hebt opgeslagen, maar ze worden ook bij voorkeur in voorwaartse richting uitgezonden.

Röntgenfotografie

Vanwege hun vermogen om bepaalde materialen te doordringen worden röntgenstralen gebruikt voor verschillende niet-destructieve evaluatie- en testtoepassingen en dan met name oor het identificeren van gebreken of scheuren in structurele componenten. Straling wordt door een onderdeel geleid en op film of een detector geregistreerd. De resulterende schaduwgrafiek toont de interne kenmerken en of het onderdeel in orde is. Dit is dezelfde techniek die in dokters- en tandartspraktijken wordt gebruikt om röntgenfoto’s te maken van respectievelijk botten en tanden.

Röntgenstralen zijn ook belangrijk voor veiligheidsinstructies van vracht, bagage en passagiers. Elektronische beelddetectoren zorgen voor real-time visualisatie van de inhoud van pakketten en andere artikelen die passagiers meenemen.

Oorspronkelijk werden röntgenstralen gebruikt voor het afbeelden van botten die gemakkelijk te onderscheiden zijn van zachte weefsels. Door nauwkeurigere focusseringssystemen en meer gevoelige detectiemethodes zoals verbeterde fotografische films en elektronische beeldsensoren is het mogelijk geworden om steeds fijnere details en subtiele verschillen in weefseldichtheid te onderscheiden.

Bovendien combineert computertomografie (CT) meerdere röntgenfoto’s tot een 3D-model van een interessegebied. Net als CT kan synchrotron-tomografie driedimensionale afbeeldingen van objecten zoals technische componenten.

Röntgentherapie

Stralingstherapie gebruikt hoogenergetische straling om het DNA van kankercellen te beschadigen waardoor ze afsterven. Aangezien de behandeling ook normale cellen kan beschadigen moeten dergelijke behandelingen zorgvuldig worden gepland om bijwerkingen te minimaliseren.

Behandeling met röntgenstralen kan cellen beschadigen waardoor kanker kan ontstaan maar ze kan ook gebruikt worden om abnormale cellen, kankercellen dus, te vernietigen.

Röntgenastronomie

Nauwe binaire systemen die neutronensterren of zwarte gaten bevatten zenden  röntgenstraling uit. In deze systemen stript de zwaardere stellaire component materie van zijn begeleider en vormt zo een schijf van extreem heet gas dat naar de hoofdcomponent toe spiraliseert. Dit zorgt voor enorm veel röntgenstraling. Superzware zwarte gaten in het centrum van spiraalvormige sterrenstelsels kunnen ook röntgenstraling uitzenden als ze sterren en gaswolken absorberen die binnen hun bereik komen.

Röntgentelescopen maken gebruik van reflecties onder kleine hoeken om deze hoogenergetische fotonen te focusseren die ander door normale spiegeltelescopen heen zouden gaan. Omdat de atmosfeer van de Aarde de meeste röntgenstralen absorbeert worden dergelijke waarnemingen meestal uitgevoerd met ballonnen op grote hoogte of met telescopen in een baan om de Aarde.

Eerste publicatie: 17 augustus 2020