Absorptie van röntgenstraling

Onderwerp: Biofysica (vwo), Ioniserende straling, radioactiviteit, Menselijk lichaam (havo)

Belangrijk voor röntgenfotografie is de absorptie van röntgenstraling in het lichaam. Hier staan meer details over dit verschijnsel.

Als de fotonen van de röntgenstraling het menselijk lichaam binnendringen kunnen er in principe 3 dingen gebeuren.

  • Transmissie:

De fotonen hebben geen enkele reactie met elektronen in het lichaam en gaan dus ongestoord in rechte lijn door het lichaam heen. Deze doorgelaten straling is ook van belang voor de röntgenfoto.

  • Verstrooiing:

Het foton "botst" tegen het elektron en verandert daardoor van richting. Het elektron waar het foton tegenaan is gebotst, heeft door de botsing een hoge snelheid gekregen. Omdat het foton bij de botsing een deel van zijn energie aan het elektron geeft, verliest het zelf energie. De frequentie na de botsing is lager dan ervoor. Dit "botsen" van fotonen tegen elektronen staat bekend als het Comptoneffect. Dit is één van de situaties waarbij de elektromagnetische straling duidelijk een deeltjeskarakter laat zien. Het foton botst alsof het een materieel deeltje is. Verstrooiing komt veel voor bij hoge frequenties. Fotonen die in allerlei richtingen verstrooid worden, maken de röntgenfoto wazig. Een antiverstrooiingsrooster kan veel verstrooide fotonen tijdig wegfilteren.

  • Absorptie:

Het foton wordt door een elektron geheel geabsorbeerd en is dus verdwenen. Het elektron heeft de energie van het foton gekregen en raakt daardoor los van het atoom waar het bij hoorde. Materialen waarin veel elektronen per cm3 zijn (dus stoffen met een grote dichtheid en een hoog atoomnummer Z) zullen veel absorptie veroorzaken. Botten absorberen meer röntgenstraling dan zachte weefsels die vooral uit water bestaan.

Halveringsdikte

Elke centimeter dikte van een bepaalde stof absorbeert een vast deel van de intensiteit van de invallende straling. Dit leidt tot een exponentiële afname van de straling. Bruikbare formules om mee te rekenen zijn:

>

Hierin is I(x) de intensiteit van de straling nadat deze x meter in een stof heeft afgelegd. I(0) is de intensiteit als er geen absorberende stof is, en μ is de verzwakkingscoefficiënt. Deze is afhankelijk van de eigenschappen van de stof onder andere van de dichtheid en het atoomnummer Z, en van de frequentie van de röntgenstraling. Een hoge waarde van μ geeft veel verzwakking per meter. En e is de bekende e uit de wiskunde = 2,71828...... Deze formule staat bekend als de wet van Beer.

Men kan ook werken met halveringsdikte: de dikte van het materiaal waarbij de helft van de stralingsenergie wordt geabsorbeerd. Na één halveringsdikte is nog maar de helft van de oorspronkelijke intenstiteit over. Na twee halveringdiktes is nog maar de helft van de helft (= ¼) over enz.

De formule wordt dan:

>

In deze formule is dhalf de halveringsdikte.

Het verband tussen de μ en de halveringsdikte is gegeven door:

>

In de figuur hieronder zie je het verband voor water, bot en lood tussen de frequentie van de röntgenstraling en de halveringdikte. De gegevens zijn ontleend aan BINAS 5e druk tabel 28E.

Je ziet dat bij hardere röntgenstraling (grotere f) het doordringend vermogen toeneemt en dat bot een ongeveer 2 maal zo kleine halveringsdikte heeft dan water. Dat betekent dat botten veel meer straling absorberen dan weefsels die voor het grootste deel uit water bestaan.
Lood is vanwege de zeer kleine halveringsdikte uitstekend geschikt om bescherming tegen de straling te bieden. Eén mm lood absorbeert van de straling die voor medische doeleinden gebruikt wordt al 99, 98 %.


Artikel De Röntgenfoto.