Hoe ziet jouw gebit eruit?

Hoe ziet jouw gebit eruit? (toepassingen van licht en röntgenstraling in de tandartspraktijk)

1 Introductie Witte tanden zijn in. De kleurechtheid van restauraties, vooral bij zichtbare delen van het gebit, is erg belangrijk. Zaken die daarbij een rol spelen zijn reflectie, kleur en opaciteit. We bespreken ze in deze uitgave. Röntgenstraling is in 1895 ontdekt door de Duitse natuurkundige Wilhelm Conrad Röntgen. Deze straling kon dwars door voorwerpen heen dringen. Vanwege deze mysterieuze eigenschap noemde hij de straling X-stralen. De ontdekking was natuurlijk een revolutie en vooral medici waren zeer enthousiast. Eindelijk kon men in het menselijk lichaam kijken zonder het te hoeven open snijden. Al snel kwam men er echter achter dat de röntgenstralen niet zo onschuldig waren als men eerst dacht. Wetenschappers experimenteerden in de eerste jaren na de ontdekking zonder beveiligingsmaatregelen en hebben zichzelf blootgesteld aan hoge doses X-stralen. Velen van hen zijn een vroege dood gestorven. Inmiddels weten we veel meer over de gevaren en de effecten van röntgenstraling. Ook de toepassingsmogelijkheden zijn inmiddels heel goed in beeld. Röntgenstraling is niet meer weg te denken in de medische en tandheelkundige diagnostiek. In deze uitgave bespreken we de toepassingen in de tandartspraktijk en gaan we in op de gevaren van röntgenstraling en de bescherming daartegen. In hoofdstuk 3 paragraaf 8 van het basiswerk schei- en natuurkunde zijn al enkele basisbegrippen over straling besproken. Elektromagnetische straling zoals licht, röntgenstraling en radiogolven planten zich in lucht allemaal voort met de lichtsnelheid (c = 300.000 m/s = 300 km/s). We kunnen straling beschrijven als fotonen of als een golfbeweging met een frequentie f (eenheid Herz, Hz), een trillingstijd T (eenheid seconde, s) en een golflengte λ (eenheid nanometer, nm). Straling met een korte golflengte (zoals röntgenstraling) heeft een hoge frequentie en straling met een grote golflengte heeft een lage frequentie. De formule f · λ = c geeft het verband aan.

Voor radiogolven geldt dat hun frequentie varieert tussen 1 kHz (kilo Herz = 1000 Hz) en 100 GHz (Giga Herz = 100 miljard Hz) en dat de golflengtes dus variëren tussen 300 km en 3 mm. Voor zichtbaar licht geldt dat de golflengte varieert tussen 400 nm (violet) en 700 nm (rood). nm = nanometer = 10–9 m Voor röntgenstraling geldt dat de golflengte varieert tussen 3 nm en 0,006 nm. Röntgenstraling met een kleine golflengte noem je harde straling omdat deze een hoge frequentie heeft. Röntgenstraling met een grotere golflengte noem je zachte straling. Hoe hoger de frequentie, hoe meer energie de straling heeft. Als straling op een voorwerp valt, kunnen de volgende dingen gebeuren: • De straling gaat om het voorwerp heen. We spreken van omspoelen. Dit gebeurt als de golflengte groter is dan het voorwerp.

1 / 13

• De straling gaat dwars door het voorwerp heen. Dit gebeurt als de golflengte veel kleiner is dan de deeltjes waaruit het voorwerp is opgebouwd. • De straling dringt door in het voorwerp, maar komt er aan de achterkant niet meer uit. Dit gebeurt als de golflengte ongeveer even groot is als de deeltjes waaruit de stof is opgebouwd of even groot is als de openingen tussen deze deeltjes. Bovendien mag de energie van de straling niet al te hoog zijn. • De straling kaatst terug op het oppervlak van het voorwerp, bijvoorbeeld zoals bij een spiegel. Dit gebeurt als de golflengte van de straling groter is dan de deeltjes waaruit het oppervlak van de stof is opgebouwd, groter is dan de openingen tussen deze deeltjes, maar kleiner dan het totale voorwerp. In beide laatste gevallen is er sprake van schaduwvorming. Ten slotte zijn in het basiswerk schei - en natuurkunde de normen besproken die gelden voor blootstelling aan straling bij werknemers die werken met röntgenapparatuur. De norm voor volwassenen bedraagt 50 mSv (milli Sievert) per jaar. 1Sv betekent dat er per kg lichaamsgewicht 1 Joule (J) stralingsenergie op het lichaam valt. 1Sv = 1 J/kg. Met een dosimeter kun je meten hoeveel J energie je per jaar opvangt. Geluid is ook een golfverschijnsel. Geluid heeft een voortplantingssnelheid van 340 m/s in lucht, in water circa 1500 m/s en in botten circa 4000 m/s. Geluid is dus geen elektromagnetische straling. In de tandartspraktijk wordt geluid toegepast bij het ultrasoon verwijderen van tandsteen. Een zendertje wekt geluidsgolven op met een frequentie van meer dan 20.000 Hz (mensen kunnen geluid horen met frequenties tussen de 16 Hz en de 20.000 Hz) dat op het tandsteen gericht wordt. Het tandsteen gaat mee trillen (resonantie) en komt daardoor los te zitten.

Vragen en opdrachten 1. a Wat is het kenmerk van alle elektromagnetische straling? b Waarom is geluid geen elektromagnetische straling? 2. a Bereken de frequentie van rood licht, violet licht, zachte röntgenstralen en harde röntgenstralen. b Bereken voor deze 4 situaties ook de trillingstijd T van 1 golfbeweging. 3. Welke straling bevat meer energie? a rood licht of blauw licht b radiogolven of röntgenstraling 4. Een assistent weegt 65 kg en vangt in een bepaald jaar 3 J energie van röntgenstraling op. Voldoet dit aan de norm van 50 mSv per jaar? 5. a Bereken de golflengte van ultrasoon geluid van 25.000 Hz in lucht, in water en in botten. De formule luidt f · λ = v. v is de voortplantingssnelheid van geluidsgolven. b Wat betekent het woord ultrasoon?

2 Licht Zichtbaar licht bestaat uit verschillende kleuren. Je spreekt van het zichtbare deel van het elektromagnetische spectrum. In de kleurenschijf zijn de drie primaire kleuren gearceerd. De drie niet gearceerde kleuren zijn de secundaire kleuren. Dit zijn mengkleuren van de primaire kleuren die er naast staan. Kleuren die tegenover elkaar liggen in de kleurenschijf, noem je complementaire kleuren. Als we twee complementaire kleuren licht op ons oog laten vallen, dan ziet ons oog wit licht. Wit licht is dus een combinatie van paren van complementaire kleuren. Zonlicht bevat alle golflengtes en wordt dus door ons oog gezien als wit licht. Als ons oog totaal geen licht waarneemt, spreken we van zwart. Zwart is dus het ontbreken van licht en net als wit geen kleur op zichzelf. De getallen in de kleurenschijf geven de golflengtes aan in nanometer.

2 / 13

Wij kunnen voorwerpen en de kleur daarvan waarnemen doordat deze voorwerpen het licht dat erop valt terugkaatsen (reflectie). Als wij een voorwerp waarnemen als wit, dan betekent dat dat het voorwerp alle opvallende licht ook reflecteert. Een zwart voorwerp reflecteert helemaal geen opvallend licht; het opvallende licht wordt volledig opgenomen in het voorwerp (absorptie). Een groen voorwerp kaatst alleen maar groen licht terug, alle andere licht wordt geabsorbeerd, enzovoort. Bij reflectie van licht is de structuur van het oppervlak ook belangrijk. Een glad en plat oppervlak kaatst het licht regelmatig terug. We noemen dit spiegelende werking. Bij een ruw oppervlak kaatst het opvallende licht in allerlei willekeurige richtingen terug. Hier is sprake van verstrooiing. Bij reflectie geldt altijd een vaste regel, namelijk ‘hoek van inval is hoek van terugkaatsing’. De hoek waaronder de lichtstralen op het oppervlak komen, meet je altijd ten opzichte van de normaal. Dit is de lijn die loodrecht op het oppervlak staat. Bij een vlak, plat oppervlak staat die normaal altijd in dezelfde richting; bij een gebogen of ruw oppervlak wijst de normaal in verschillende punten ook allerlei kanten op.

evenwijdige reflectie bij een plat oppervlak diffuse reflectie bij een ruw oppervlak Als lichtstralen na reflectie evenwijdig blijven aan elkaar, is sprake van evenwijdig reflectie. Dit treedt op bij vlakke en gladde oppervlakken. Het spiegelbeeld is identiek aan het origineel. Als lichtstralen na reflectie steeds verder uit elkaar gaan lopen, is sprake van divergerende reflectie. Dit treedt op bij een glad maar wel bol gebogen oppervlak. Het spiegelbeeld vervormt daarbij. Als lichtstralen na reflectie steeds dichter naar elkaar toe gaan lopen, is sprake van convergerende reflectie. Dit treedt op bij een glad maar hol gebogen oppervlak. Ook hier vervormt het spiegelbeeld. Als lichtstralen na reflectie alle kanten op gaan lopen, is sprake van diffuse reflectie of verstrooiing. Er ontstaat geen spiegelbeeld. Wanneer lichtstralen op een doorzichtig materiaal vallen, kunnen ze daar ook doorheen gaan. Bij bijna alle materialen treedt er dan breking van de lichtstraal op. Het beste is dat te zien in een prisma, een driehoekig geslepen stuk glas. Als daar wit licht op valt, zie je achter het prisma alle kleuren van de regenboog. Elke kleur breekt namelijk net iets anders. Breking van licht (en van andere elektromagnetische straling) wordt veroorzaakt doordat de voortplantingssnelheid in verschillende materialen anders is. In vacuüm en lucht is de lichtsnelheid 3*108 m/s, maar in glas is het bijvoorbeeld 2*108 m/s en in water 2,25*108 m/s. Breking treedt op als een lichtstraal overgaat van de ene stof in de andere, als de voortplantingssnelheid in die stoffen verschillend is. Als het licht overgaat van een stof waarin de lichtsnelheid hoog is naar eentje met een lagere lichtsnelheid, dan breekt de lichtstraal naar de normaal toe. In het omgekeerde geval breekt de lichtstraal van de normaal af. normaal lucht glas

3 / 13

normaal glas lucht

Tandglazuur heeft een glad, maar wel gebogen oppervlak. Blinkend witte tanden reflecteren opvallend licht spiegelend. Tandsteen daarentegen is erg onregelmatig gevormd. Aanslag van nicotine of koffie en thee, vulmaterialen en andere onregelmatigheden hebben sterke invloed op de optische eigenschappen van het gebit. Op randen en naden treedt vaak diffuse reflectie op, tenzij de hechting zeer goed is en de restauratie helemaal gelijk met het tandweefsel is afgeschuurd. Het vulmateriaal absorbeert en reflecteert vaak net andere golflengtes dan het omringende tandweefsel, zodat je dan kleurverschillen waarneemt. Ook de ondoorlaatbaarheid oftewel de opaciteit van vulmaterialen en tandweefsel kan verschillen. Daar komt nog bij dat kunstlicht zoals halogeen verlichting of TL-verlichting een andere samenstelling heeft dan zonlicht. Tanden en kiezen in de mond zijn voorzien van een vloeistoflaagje. Restauratiematerialen moeten ook bevochtigbaar zijn en dit vloeistoflaagje hebben, anders zal de reflectie nooit hetzelfde kunnen zijn, ook als het materiaal onder droge omstandigheden precies dezelfde kleur heeft als het tandweefsel. De kleurstabiliteit van het materiaal moet ook hoog zijn; het mag niet na verloop van tijd verkleuren. Anders gezegd, het materiaal moet een grote kleurechtheid bezitten. Hier moet allemaal rekening mee gehouden worden bij het bepalen van het juiste reatauratiemateriaal voor met name de frontelementen van het gebit. Vragen en opdrachten. 1. a Je mengt de kleuren rood en groen in gelijke intensiteit. Welke kleur zie je dan? Waarom? b Dezelfde vraag voor de kleuren rood, geel, violet en groen. 2. a Welke kleur krijg je als je rood en geel mengt? b Welke kleur krijg je als je evenveel rood, geel en blauw mengt? 3. a Teken in de volgende vier situaties hoe de invallende lichtstralen gereflecteerd worden.

A

4. 5.

6. 7. 8. 9.

B

C

D

b Teken nu zelf een situatie waarin lichtstralen recht op een holle spiegel vallen en teruggekaatst worden. c In welke situatie in a en b is sprake van een divergerende reflectie en in welke situatie van een convergerende? Als het zonlicht op je huid valt, voel je daar ook warmte van. In welke situatie krijg je het warmer, als je witte kleren draagt of als je zwarte kleren draagt? Waarom? Zeg van de volgende voorwerpen of er licht wordt gereflecteerd, geabsorbeerd of doorgelaten (of een combinatie van deze drie). a een blauwe houten kist d een rode robijn b een bruine glazen fles e een groen blad (van een boom) c een zwarte rubberen laars f een glas met melk erin De brekingsindex geeft aan hoe sterk een lichtstraal wordt afgebogen. Je kunt de brekingsindex berekenen door de lichtsnelheid van het licht in de stof waar de lichtstraal vandaan komt, te delen door de lichtsnelheid in de stof waar de lichtstraal naar toe gaat. Bereken de brekingsindex voor de overgang lucht glas en voor de overgang glas lucht. IJs waarop nog niet geschaatst is, is vaak heel helder. IJs waarop wel geschaatst is, is wit-grijs van kleur. a In welke situatie is de opaciteit (ondoordringbaarheid) het grootste? b Verklaar waarom ijs waarop al geschaatst is wit-grijs van kleur is. Waarom hebben voorwerpen die nat zijn vaak een andere kleur dan in de droge toestand? Waar moet je beoordelen of de kleur van een prothese of een restauratie overeenkomt met de natuurlijke kleur? a binnen onder een TL-lamp of buiten/ vlakbij het raam in het zonlicht. b in de mond of buiten de mond.

4 / 13

3 Röntgenfoto’s maken 3.1 Opwekken van röntgenstraling Elke vorm van straling wordt opgewekt in een stralingsbron. Voor licht is is dat een lamp, maar natuurlijk ook de zon. Voor radiogolven is dat een zendmast, voor warmtestraling een IR-lamp en voor röntgenstraling is dat een zogenoemde röntgenbuis. In een röntgenbuis botsen elektronen met een heel hoge snelheid tegen een plaatje van het metaal wolfraam. Bij deze botsingen ontstaat in 0,4% van de gevallen röntgenstraling, bij de overige 99,6% ontstaat er alleen maar warmte. Een röntgenbuis bevindt zich daarom altijd in een oliebad om de warmte op te kunnen vangen. In een röntgenbuis zijn diverse onderdelen aanwezig, we bespreken de belangrijkste:

l = de loden mantel, deze voorkomt het uittreden van röntgenstralen op ongewenste plaatsen. o = het oliebad om de vrijkomende warmte op te vangen t = transformator voor het opwekken van de buisspanning (tussen de 50 – 70 kV ofwel 50.000 – 70.000 V, hoogspanning) rb = röntgenbuis k = kathode, deze is negatief geladen doordat de transformator elektronen naar de kathode pompt a = anode, deze is positief geladen doordat de transformator elektronen wegzuigt uit de anode. Het verschil in lading tussen anode en kathode levert de buisspanning op. g = gloeidraad, als hier een stroom (de buisstroom, dit zijn bewegende elektronen) doorheen loopt, zullen de elektronen door de negatieve kathode uit de gloeidraad geduwd worden. De elektronen vliegen dan door de buis naar de positieve anode. e = elektronen die uit de gloeidraad komen en van de kathode naar de anode vliegen w = een wolfraam plaatje op de anode, hier botsen de elektronen met hoge snelheid tegenaan v = venster in de röntgenbuis waar opgewekte röntgenstralen door naar buiten kunnen. Een klein deel van de opgewekte röntgenstralen blijft in de buis en wordt door de wanden van de buis geabsorbeerd. r = röntgenstralen die enigszins divergerend uit het venster komen d = diafragma, een opening in de loden ommanteling die groter en kleiner gedraaid kan worden, waardoor er meer of minder röntgenstralen naar buiten kunnen komen. Vlak voor het diaftragma is een aluminium filter geplaatst die ervoor zorgt dat te zachte röntgenstraling geabsorbeerd wordt, zodat die niet in het menselijk lichaam terecht komt. Te zachte röntgenstraling levert geen bijdrage aan de foto, maar veroorzaakt wel schade in het lichaam. c = de conus of tube, deze is ter hoogte van het diafragma op de loden ommanteling bevestigd en geeft aan waar de straling naar buiten komt. Bovendien kan je met de conus de straling goed richten. De buisspanning bepaalt de hardheid van de röntgenstralen. Een hogere buisspanning levert hardere straling op. Hardere straling heeft een groter doordringend vermogen terwijl het minder door het lichaam wordt geabsorbeerd dan zachte straling. Bovendien maakt een hogere buisspanning het rendement van een botsing hoger; met andere woorden het percentage botsingen van elektronen met het wolfraam plaatje dat röntgenstraling oplevert, neemt toe.

5 / 13

Een hoge buisspanning levert dus hardere straling en een hogere intensiteit. De buisstroom bepaalt hoeveel elektronen er uit de gloeidraad kunnen komen. Bij een hogere buisstroom zijn er meer elektronen, dus meer botsingen en dus ook meer röntgenstralen. De buisstroom heeft dus invloed op de intensiteit van de röntgenstraling. De conus bepaalt de afstand tussen de stralingsbron en de patiënt. Verder bepaalt de lengte van de conus of de straling meer evenwijdig of juist nog enigszins divergerend is. Bij een shortcone is de afstand klein en de bundel enigszins divergerend. Bij een longcone is de afstand groter en de bundel bijna evenwijdig. Een longcone heeft de voorkeur omdat bij een parallelle bundel het beeld niet vertekent en omdat de stralingsbelasting voor de patiënt minder is. Dit laatste komt doordat een longcone bijna altijd in combinatie met een hogere buisspanning wordt toegepast. Een effect waar altijd rekening mee gehouden moet worden, is het optreden van strooistraling. Straling die niet door het venster van de röntgenbuis naar buiten treedt, wordt opgevangen door de loden mantel van het apparaat. Röntgenstraling die door het venster, het diafragma en de conus naar buiten treedt, kan op die weg natuurlijk tegen de conuswand of tegen de rand van het diafragma botsen en daardoor van richting veranderen (reflectie). Het overgrote deel van de straling volgt netjes de route die het moet lopen om uiteindelijk op de gevoelige film terecht te komen of in het lichaam geabsorbeerd te worden, maar een deel komt op ongewenste plekken terecht. Dit laatste deel noem je de strooistraling. 3.2 Het maken van een röntgenfoto Het doordringend vermogen van röntgenstraling in atomen hangt af van het atoomnummer. Hoe hoger het atoomnummer, hoe minder goed de röntgenstraling er doorheen dringt. Onze huid bestaat vooral uit stoffen die opgebouwd zijn uit C, H, O en N atomen, allemaal met lage atoomnummers. Tanden en kiezen bevatten veel Ca en fosfor (apatiet) die al wat hogere atoomnummers hebben en dus de röntgenstraling al meer tegenhouden. Een amalgaamvulling bevat vrijwel uitsluitend atomen met hoge atoomnummers; amalgaam is voor röntgenstraling ondoordringbaar. Ook lood heeft een hoog atoomnummer en is dus ook ondoordringbaar voor röntgenstralen. Door röntgenstralen op een gebitselement te richten en achter het element een film te houden die gevoelig is voor opvallende straling, is het mogelijk om de verschillende onderdelen van het element zichtbaar te maken. De röntgenstralen die langs of door de zachtere delen van het element gaan, komen op de film terecht en veroorzaken daar een zwarting. Hoe meer straling op de film terechtkomt, hoe zwarter die wordt. De delen die ondoordringbaar of bijna ondoordringbaar zijn, laten geen straling door, dus op die plekken blijft de film wit.

Er zijn twee technieken voor het maken van opnames met een röntgenapparaat, de paralleltechniek en de bisectriceregeltechniek. De paralleltechniek is gekoppeld aan het gebruik van een longcone apparaat, de bisectriceregeltechniek aan een shortcone apparaat. In beide technieken is het belangrijk om de conus in de juiste stand ten opzichte van het te fotograferen element in te stellen. Hiervoor gebruik je een instelnaaf. Ook de film moet in de juiste positie staan. Dit realiseer je door een zogenoemde bite-wing te gebruiken. De stralingsgevoelige film schuif je in deze bite-wing, de patiënt bijt op het bijtvlak waardoor de film in de juiste positie staat. Instelnaaf en bijtvlak bepalen samen de juiste stand van alle hulpmiddelen. 3.3 Chemische achtergronden van röntgenfotografie

6 / 13

De filmplaatjes voor het maken van röntgenopnames in de mond zijn opgebouwd uit de volgende onderdelen: • Een stralingsgevoelige vaste emulsie van zilverhalogeenkristallen, meestal zilverchloride of zilverbromide korrels, in gelatine, dat op een plastic plaatje is aangebracht. • Lichtdicht papier dat om de stralingsgevoelige emulsie is gewikkeld. Dit is nodig omdat zilverhalogeenkristallen niet alleen gevoelig zijn voor röntgenstraling maar ook voor zichtbaar licht. • Een loodplaatje dat de straling die door de emulsie heen gaat, kan absorberen zodat achterliggende lichaamsdelen niet onnodig belast worden. • Een plastic omhulsel om de eerste drie onderdelen te beschermen tegen mondvloeistof (speeksel). Om een beeld op de film te krijgen, moet deze belicht worden. Hier zorgt het röntgenapparaat voor. De röntgenstralen die op de film vallen, botsen tegen een zilverhalogeenkristal aan. Dit zilverhalogeenkristal raakt daardoor aangeslagen, het krijgt een hoeveelheid energie van de invallende röntgenstraal. Hoe meer röntgenstralen op een bepaalde plek van de film binnenkomen, hoe meer aangeslagen kristallen er op die plek ontstaan. Op plekken waar geen röntgenstralen binnenkomen, ontstaan geen aangeslagen kristallen. Voor een goed beeld is het van belang dat de foto voldoende contrast heeft. Contrast is het verschil tussen zwart en wit op de foto. Op een contrastrijke foto is het verschil tussen doordringbare en ondoordringbare plekken goed te zien. Om kleine details, zoals een beginnend gaatje in een kies, goed zichtbaar te maken, is een fijne verdeling van de zilverhalogeenkristallen in de emulsie nodig. Je spreekt dan van een film met fijne korrel. Naarmate de zilverhalogeenkristallen groter zijn, kunnen details minder scherp worden waargenomen. Films met een grove korrel leveren daarom minder scherpe foto’s. Op de tekening zie je tweemaal dezelfde serie röntgenstralen invallen op een film. De film links heeft een fijnere korrel dan de film rechts. Het effect op de foto is dat er bij de linker film van boven naar beneden een zwarte plek, een witte plek, een zwarte plek, een grotere witte plek en een kleine zwarte plek zichtbaar zijn. Op de rechter foto zie je met dezelfde belichting echter een grote zwarte vlek, dan een witte vlek en ten slotte een zwarte vlek. Op de rechter foto zijn bij dezelfde belichting kortom veel minder details zichtbaar dan op de linker foto. De conclusie lijkt dat we dus films met een fijne korrel moeten gebruiken. Dan krijgen we scherpe foto’s met veel details. Helaas hebben films met een fijne korrel een langere belichtingstijd nodig dan films met een grove korrel. Het aanslaan van kleine zilverhalogeenkristallen kost meer tijd dan het aanslaan van grotere kristallen. Bij films met een fijne korrel moeten we de patiënt dus langer blootstellen aan straling. Om deze reden noemen we films met een fijne korrel langzame films en films met een grove korrel snelle films. Er zijn vijf speedgroepen voor röntgenfilms, groepen A tot en met E. Een film uit speedgroep B is tweemaal zo snel als een film uit speedgroep A. Anders gezegd, een film uit speedgroep A moet tweemaal zo lang belicht worden als een film uit speedgroep B. Elke volgende groep is weer een factor 2 sneller. Gelukkig zijn fabrikanten erin geslaagd een voldoende snelle film (met een grovere korrel) te maken die echter toch genoeg detailscherpte biedt. In de tandheelkunde zijn films uit speedgroep C en D het meest in gebruik.

Hoe lager het contrast, hoe moeilijker het beeld is te zien. Bij gebruik van een fijne korrel zie je veel details met veel contrast (scherp), bij gebruik van een grove korrel weinig details en minder contrast (wazig).

7 / 13

Na belichten volgen ontwikkelen en fixeren. Dit zijn de chemische processen die ervoor zorgen dat de film met aangeslagen kristallen wordt omgezet in een foto. Dit gebeurt door het omzetten van de aangeslagen zilverhalogeenkristallen in metallisch zilver en het verwijderen (uitspoelen) van de niet aangeslagen kristallen van de film. Deze niet aangeslagen kristallen zijn immers ook lichtgevoelig, dus als ze na het ontwikkelen nog op de foto zouden zitten en in contact met zichtbaar licht komen, worden ze alsnog aangeslagen en dat is niet de bedoeling. Dit betekent ook dat we het hele proces van ontwikkelen en fixeren in een donkere ruimte moeten uitvoeren. Ontwikkelen: We gaan ervan uit dat de zilverhalogeenkristallen AgCl bevatten (zilverchloride). Ook AgBr (zilverbromide) en AgI (zilverjodide) komen voor. AgCl is een ionogene stof, een zout. AgCl is opgebouwd uit Ag+ en Cl– ionen. Er moet metallisch zilver ontstaan uit de aangeslagen AgCl kristallen. De volgende reactie treedt dan op: Ag+ + 1 e– Æ Ag Het zilverion neemt 1 elektron op en wordt omgezet in een zilver atoom. Ag+ treedt op als een oxidator, het neemt een elektron op. Dan moet er ook een reductor aanwezig zijn, een stof die elektronen weggeeft. Die stof zit in de ontwikkelaar. Een voorbeeld is de stof hydrochinon. De reductor moet niet zo sterk zijn dat hij alle zilverionen elektronen gaat geven. De reductor moet alleen maar met de aangeslagen zilverionen reageren. Niet elke reductor is dus geschikt om in ontwikkelaar te zitten. De reactie die met hydrochinon optreedt is de volgende: O

OH Æ

OH hydrochinon

+

2 H+

+ 2 e–

O chinon

Aan deze reactievergelijking zien we dat hydrochinon 2 elektronen afstaat. 1 hydrochinon reageert dus met 2 Ag+ ionen. Bovendien ontstaan er 2 H+ ionen. We kunnen de reactie sneller laten verlopen als we aan hydrochinon een base toevoegen, die trekt de H+ uit hydrochinon, waardoor de omzetting wordt bevorderd. Ontwikkelaar bevat om die reden ook altijd een basische stof, bijvoorbeeld natriumhydroxide (natronloog), kaliumhydroxide (kaliloog), natriumcarbonaat of kaliumcarbonaat. De volledige reactievergelijking tussen AgCl en hydrochinon luidt: 2 AgCl (s) + hydrochinon (aq) Æ 2 Ag (s) + chinon (aq) + 2 HCl (aq) De belichte film wordt enige tijd in een bad met ontwikkelaar gedompeld en heen en weer bewogen, zodat alle aangeslagen AgCl kristallen met hydrochinon kunnen reageren. De ontwikkeltijd is dus ook van invloed op het contrast. Bij te kort ontwikkelen reageren niet alle aangeslagen AgCl kristallen en zal de foto te licht worden. Na de ontwikkeltijd moeten we de resterende ontwikkelaar van de film afspoelen met zuiver water. Fixeren: Om de niet aangeslagen AgCl kristallen van de film te verwijderen, fixeren we de ontwikkelde film. De oplossing die we daarvoor gebruiken heet fixeer en bevat voornamelijk de stof natriumthiosulfaat die is opgelost in een lichtzure oplossing. Natriumthiosulfaat (Na2S2O3) is een goed oplosbaar zout en is dus gesplitst in ionen aanwezig. Thiosulfaat ionen (S2O32–) zijn in staat om het slecht oplosbare zilverchloride om te zetten in een goed oplosbaar zilvercomplex, namelijk Ag(S2O3)23–, het zilver-thiosulfaat complex. De totale reactievergelijking luidt als volgt: AgCl (s) + 2 Na2S2O3 (aq) Æ Ag(S2O3)23– (aq) + 4 Na+ (aq) + Cl– (aq)

8 / 13

De deeltjes na de pijl zijn allemaal oplosbaar in water, waardoor het AgCl dat niet gereageerd heeft met hydrochinon door het fixeerproces alsnog van de film wordt weggehaald. De witte plekken op de foto kunnen dan niet meer langzaam zwart verkleuren. Als laatste stap moet de foto nog afgespoeld worden met water om de laatste resten fixeer met daarin opgeloste ionen te verwijderen. Ontwikkelaar en fixeer zullen regelmatig aangevuld danwel ververst moeten worden. Als het hydrochinon in ontwikkelaar en de natriumthiosulfaat in fixeer opraken door de reacties, dan gaat de werking van de oplossingen ook achteruit en moet je een film langer in de ontwikkelaar en langer in de fixeer laten liggen om hetzelfde resultaat te bereiken. Tot slot moet opgemerkt worden dat het gebruik van fotopapier om opnames op vast te leggen steeds meer vervangen wordt door digitale detectoren die de doorvallende straling opvangen en vervolgens omzetten in een computerbeeld. Het hele ontwikkelen, fixeren en zeer omzichtig omgaan met het ook lichtgevoelige fotopapier is daarmee niet meer nodig. De principes van de röntgenfotografie blijven met de digitale detectie exact hetzelfde, alleen de handling en de snelheid waarmee beelden beschikbaar zijn nemen enorm toe. Vragen en opdrachten 1. Welke 4 factoren hebben invloed op de intensiteit van de röntgenstraling die uit een röntgenapparaat komen? 2. Wat is de functie van de transformator in een röntgenapparaat? 3. Wat is de functie van het aluminium filter dat voor het diafragma van het röntgenapparaat is geplaatst? 4. De buisspanning in een röntgenapparaat heeft een dubbel effect op de hoeveelheid stralingsenergie. Welke 2 effecten zijn dat? 5. Waarom is lood ondoordringbaar voor straling? 6. a Wat verstaan we onder strooistraling? b Als je achter het röntgenapparaat staat, ben je dan helemaal veilig voor strooistraling? Waarom wel/ niet? 7. a Aan welke kant van het gebit moet de film in de bite-wing gehouden worden, tussen de wang en het gebit of aan de kant van het gebit waar de tong zich bevindt? Waarom? b Wat is de functie van het loodplaatje in het filmpakketje? 8. a Welke twee technieken voor het maken van röntgenfoto’s met een tube röntgenapparaat zijn er? b Welke techniek hoort bij een longcone en welke bij een shortcone? c Noem 2 verschillen tussen het gebruik van longcone en het gebruik van shortcone apparaten. d Welke van deze beide technieken verdient de voorkeur? Waarom? 9. Hoe luidt het verband tussen de intensiteit van de straling en de afstand tot de stralingsbron bij een parallelle stralingsbundel en bij een divergerende stralingsbundel? 10. a Waarom zijn de filmpjes die de tandarts gebruikt in plastic verpakt? b Waarom zijn deze filmpjes ook voorzien van een lichtdichte omhulling? Röntgenstraling kan daar toch gewoon doorheen? 11. Leg de volgende begrippen uit: a belichten f aangeslagen toestand b contrast g speed-groep c detailscherpte h zilverhalogeenkristal d grove korrel i snelle film e metallisch zilver j zilvercomplex 12. a Wat is het verband tussen de detailscherpte en de korrelgrootte? b Wat is het verband tussen het contrast en de korrelgrootte? 13. Een tandarts gebruikt een film uit speed-groep A. De belichtingstijd die nodig is voor een goed contrast bedraagt 16 seconden. a Hoeveel seconden moet de tandarts belichten bij gebruik van een film uit speedgroep B? En uit speedgroep D? b Bij welke film zijn de details het beste waarneembaar, bij een film uit speedgroep A of uit speedgroep B? Waarom? 14. Tijdens het ontwikkelen van een film treedt een redoxreactie op. a Wat is een redoxreactie? b Waarom moet er een redoxreactie optreden en kan er niet gewoon een oplosreactie of iets dergelijks optreden? c Wat is de definitie van een reductor en welke stof treedt op als reductor bij het ontwikkelen? 15. Geef de reactievergelijking voor de reactie tussen zilverbromide en hydrochinon. 16. Geef de reactievergelijking voor het oplossen van zilverbromide in natriumthiosulfaat.

9 / 13

17. a b 18. a b c

Geef de molecuulformules van hydrochinon en van chinon. Bereken ook de molecuulmassa’s van beide stoffen. Leg uit waarom een foto zwarter wordt als deze na het ontwikkelen niet voldoende is afgespoeld met water. Waarom worden foto’s lichter als de ontwikkelaar bijna vervangen moet worden? Leg uit wat er na verloop van tijd met een foto gebeurt als je deze niet langer dan gebruikelijk met bijna uitgewerkt fixeer hebt behandeld. 19. Ontwikkelaar is een basische oplossing. Je gebruikt vaak natriumhydroxide, kaliumhydroxide, natriumcarbonaat of kaliumcarbonaat als basen. a Geef de formules van deze 4 stoffen. b Wat is de belangrijkste eigenschap van een basische stof? Bij de reactie tussen zilverchloride en hydrochinon ontstaat onder andere HCl (aq). De aanwezige base kan hiermee reageren. c Geef de reactievergelijking van de reactie die optreedt tussen dit HCl (aq) en natriumcarbonaat. d Dezelfde vraag voor de reactie tussen kaliumhydroxide en HCl (aq). De basische stof beïnvloedt de snelheid van het ontwikkelproces. e Leg uit hoe deze beïnvloeding in zijn werk gaat. f In welk geval wordt de snelheid van de reactie het sterkst beïnvloed, bij gebruik van kaliumhydroxide of bij gebruik van natriumcarbonaat als basische stof? Waarom?

10 / 13

ANTWOORDEN 1 Introductie 1 a Elektromagnetische straling plant zich voort met de lichtsnelheid, 300.000 km/s. b Geluid heeft een veel lagere voortplantingssnelheid, in elk geval geen 300.000 km/s. 2 a+b Rood licht heeft λ = 700 nm, f = c / λ, dus f = 300.000 m/s / 0,0000007 m = 4,3 x 1011 Hz (430.000.000.000). Verder geldt T = 1/f, dus T = 2,3 x 10-12 s. Violet licht heeft λ = 400 nm, f = 7,5 x 1011 Hz en T = 1,3 x 10-12 s. Zachte röntgenstraling heeft λ = 3 nm, f = 1,0 x 1014 Hz en T = 1,0 x 10-14 s. Harde röntgenstraling heeft λ = 0,006 nm, f = 5,0 x 1016 Hz en T = 2,0 x 10-17 s. 3 a Blauw licht heeft een kleinere golflengte en een hogere frequentie dan rood licht en bevat dus meer energie. b Röntgenstraling heeft een veel kleinere golflengte dan radiogolven en een veel hogere frequentie, dus röntgenstraling bevat veel meer energie. 4 50 mSv = 50 mJ/kg = 0,05 J/kg. De assistent van 65 kg vangt 3 J op, dit is dus 3 / 65 J/kg = 0,046 J/kg. Dit zit net onder de norm, dus het is akkoord. 5 a λ = v / f, dus in lucht 340 m/s / 25.000 Hz = 0,0136 m (= 1,36 cm), in water 1500 m/s / 25.000 Hz = 0,06 m (= 6 cm), in botten 4000 m/s / 25.000 Hz = 0,16 m (= 16 cm). b Ultrasoon betekent geluid met een heel hoge frequentie (boven de 20.000 Hz, voor de mens niet hoorbaar).

2 Licht 1 a b 2 a b

Wit, rood en groen zijn complementaire kleuren. Ook wit, het zijn 2 paren van complementaire kleuren (rood / groen en geel / violet). Oranje, dat is de mengkleur van rood en geel. Wit, de 3 hoofdkleuren in gelijke intensiteit geven samen wit (geel en blauw geven groen en groen en rood zijn weer complementair, dus samen wit).

3 a

A

B

C

D

b

4 5

6 7

c Divergerende reflectie bij 3a C en D en convergerend bij b. In geval van 3a A en B is er sprake van reflectie op verschillende platte vlakken. Per plat vlak blijven de gereflecteerde stralen evenwijdig aan elkaar, doordat het meerdere vlakken betreft, is er toch ook sprake van divergentie. Bij het dragen van zwarte kleren wordt al het zonlicht geabsorbeerd door de kleren, dan blijft de warmte in de kleren hangen. Witte kleren kaatsen het zonlicht terug, je raakt dus minder opgewarmd in witte kleren. a Blauw licht wordt teruggekaatst, de rest wordt geabsorbeerd. Hout laat geen licht door. b Bruin licht wordt teruggekaatst, het overige licht wordt geabsorbeerd en doorgelaten. Glas laat licht door. c Alle licht wordt geabsorbeerd, geen terugkaatsing of doorlating. d Rood licht wordt teruggekaatst, het overige licht wordt geabsorbeerd en een beetje doorgelaten. e Groen licht wordt teruggekaatst, het overige licht wordt geabsorbeerd en een beetje (een blad is erg dun) doorgelaten. f Het glas laat alle licht door, de melk kaatst alle licht terug. brekingsindex (lucht Æ glas) = lichtsnelheid in lucht / lichtsnelheid in glas = 3 x 108 / 2 x 108 = 1,5 brekingsindex (glas Æ lucht) = lichtsnelheid in glas / lichtsnelheid in lucht = 2 x 108 / 3 x 108 = 0,67 a De ondoordringbaarheid voor licht is in de witgrijze situatie het grootste. b Door de krassen en de losgereden ijskristalletjes die op het ijs liggen, is het oppervlak erg onregelmatig. Het opvallende licht wordt naar alle kanten teruggekaatst, verstrooid. Een deel van het licht wordt ook geabsorbeerd. Op plekken die alle licht terugkaatsen is het wit, op plekken die een deel van alle golflengtes absorberen, is het grijs.

11 / 13

8

In de natte toestand komt het licht eerst door een laagje water. Het waterlaagje breekt het licht, de invalhoek en terugkaatshoek op het voorwerp zijn dan anders. Bovendien kan het water of daarin aanwezige opgeloste stoffen een deel van het licht absorberen. Ook hierdoor kan de kleur van het voorwerp anders worden. 9 a Bij voorkeur in zonlicht omdat daarin alle golflengtes licht voorkomen. Het beste is natuurlijk als zowel in zonlicht als onder kunstlicht de kleur van de restauratie overeenkomt met dat van de eigen tanden. b De kleur in de mond moet overeenkomen, in de mond zijn tanden en kiezen bevochtigd en dat levert een andere kleur op dan in de geheel droge toestand.

3 Röntgenfoto’s maken 1 2 3 4 5 6 a b 7 a b 8 a b c

d 9 10 a b 11 a b c d e f g h

De buisspanning, de buisstroom, de stand van het diafragma en de lengte van de conus. De transformator bepaalt de buisspanning en daarmee de hardheid van de röntgenstraling (hoge spanning is hardere straling). Het aluminiumplaatje voor het diafragma absorbeert de zachte straling die uit het röntgenapparaat komt. Bij een hoge buisspanning bewegen de elektronen sneller van kathode naar anode waardoor er per seconde meer botsingen plaatsvinden en bovendien botsen de elektronen harder op het wolfraam plaatje. Bij hardere botsingen ontstaat er vaker röntgenstraling (in meer % van de botsingen). De afmetingen van loodatomen en de afstanden tussen de loodatomen in een plaat lood zijn zodanig dat de röntgenstralen er niet doorheen en ook niet omheen kunnen. Strooistraling is straling die door het reflecteren op bijvoorbeeld de rand van het diafragma of de rand van het aluminiumplaatje een afwijkende richting krijgt en ergens anders dan door de conus het röntgenapparaat verlaat. Het risico achter het röntgenapparaat is wel het kleinste, maar strooistraling kan elke kant op gaan, dus ook naar achteren. Aan de kant van het gebit waar de tong zich bevindt, de röntgenstralen komen door de wang en moeten dan op de tanden of kiezen vallen en dan pas op de film terecht komen. Het loden plaatje in het filmpakketje zorgt voor het absorberen van straling die door de tanden en kiezen en ook door de film heen is gegaan, zodat deze straling niet verder in de mond kan doordringen. De bisectrice regel techniek en de parallel techniek. Shortcone hoort bij bisectrice regel en longcone bij parallel. Bij longcone apparaten valt de stralingsbundel recht op het gebit en de film zodat het beeld dezelfde grootte heeft als het origineel. Bij de shortcone is de bundel nog licht divergerend waardoor het beeld op de film groter is dan het origineel. Bovendien is de straling bij een longcone apparaat meestal harder dan bij een shortcone apparaat. De paralleltechniek vanwege het niet vertekende beeld en vanwege het feit dat hardere straling minder gezondheidsrisico’s heeft dan zachtere straling. Hardere straling gaat meer door de weefsels heen terwijl zachtere straling door weefsels meer geabsorbeerd wordt en dan dus ook schade aanricht. Bij een parallelle stralingsbundel blijft de intensiteit in principe gelijk. Bij een divergerende stralingsbundel neemt de intensiteit kwadratisch af met een toenemende afstand. Om te voorkomen dat de film in de mond in contact komt met speeksel waardoor de goede werking verstoord kan worden. Het lichtdichte papier voorkomt dat de lichtgevoelige zilverzouten al eerder in contact komen met licht en daardoor al aangeslagen zouden zijn voordat er röntgenstraling op is gevallen. Belichten is het blootstellen van een film aan licht. Contrast is de afwisseling tussen donkere en lichte plekken op een belichte film. Bij hoog contrast zijn er veel details zichtbaar. De detailscherpte bepaalt of je kleine details, bijvoorbeeld een beginnend gaatje, wel of niet ziet op een film. Een grove korrel betekent dat de afmetingen van de lichtgevoelige zilverkristallen groot is, hierdoor is het contrast lager en de detailscherpte kleiner (je ziet kleine details minder goed). Metallisch zilver is zilver in de atoomvorm, dus ongeladen zilveratomen. Aangeslagen toestand is als een zilverion is getroffen door een röntgenstraal en daardoor vatbaar is voor reductie door hydrochinon. De speed-groep geeft aan of een film veel of weinig straling nodig heeft om een goed beeld te geven. Een film die veel straling nodig heeft, zit in een langzamere speedgroep, het duurt dan immers langer voordat een voldoende goede foto is gemaakt. Speedgroep A is het langzaamst, speedgroep E het snelst. Een zilverhalogeen kristal is zilverchloride, zilverbormide of zilveriodide, alledrie lichtgevoelige zilververbindingen.

12 / 13

i j 12 a b 13 a b 14 a b c 15 16 17 a b 18 a

b c

19 a b c d e

f

Een snelle film heeft grovere korrels en heeft minder straling nodig en kan dus in een kortere tijd een goede foto opleveren. Een zilvercomplex is een geladen verbinding van zilver met 2 of meer liganden. Geladen zilvercomplexen zijn in het algemeen goed oplosbaar in water, dit in tegenstelling tot de meeste zilverzouten. Een film met kleine korrels levert foto’s met een grotere detailscherpte. Hoe kleiner de korrels hoe kleinere details weergegeven kunnen worden en hoe groter de detailscherpte is. Een film met kleine korrels heeft hoog contrast omdat er meer afwisseling tussen zwart en wit zichtbaar gemaakt kan worden. Bij gebruik van speedgroep B duurt het belichten nog 8 seconden, bij speedgroep D nog maar 2 seconden (bij elke stap wordt de belichtingstijd 2x zo kort). De langzaamste films heeft de kleinste korrels dus de meeste details. Speedgroep A heeft dus de meeste details en het hoogste contrast. Een redoxreactie is een reactie tussen een oxidator en een reductor. Bij een redoxreactie gaan er elektronen over van de reductor naar de oxidator. Er moet een redoxreactie optreden omdat er metallisch zilver moet ontstaan om een fotobeeld op te leveren. Een reductor is een stof die elektronen weggeeft. Hydrochinon treedt op als reductor. 2 AgBr (s) + hydrochinon (aq) Æ 2 Ag (s) + chinon (aq) + 2 HBr (aq) AgBr (s) + 2 Na2S2O3 (aq) Æ Ag(S2O3)23– (aq) + 4 Na+ (aq) + Br– (aq) Hydrochinon: C6H4(OH)2 ofwel C6H6O2 ; chinon: C6H4O2 Hydrochinon: 110 g/mol ; chinon: 108 g/mol Een foto die onvoldoende is afgespoeld met water na het ontwikkelen bevat nog resten ontwikkelaar, die dan nog verder kunnen reageren met nog eventueel aanwezige aangeslagen zilverhalogeen kristallen of met niet aangeslagen zilverhalogeen kristallen die echter door inwerking van licht alsnog aangeslagen raken en dan met de resten ontwikkelaar alsnog reageren. Al het zilverhalogeen dat omgezet wordt in metallisch zilver levert een zwart plekje op de foto op. Als de ontwikkelaar onvoldoende werkt, worden er minder aangeslagen zilverhalogeen kristallen omgezet in zilver en wordt de foto dus minder zwart. Fixeer zorgt ervoor dat de niet aangeslagen zilverhalogeen kristallen van de foto verdwijnen. Als dit onvoldoende gebeurt, blijven er dus zilverhalogeenkristallen op de foto achter, die door licht aangeslagen kunnen raken en dan door inwerking van reductoren uit de omgeving alsnog omgezet worden in metallisch zilver. De foto kan dan op termijn zelfs helemaal zwart worden. NaOH, KOH, Na2CO3 en K2CO3 Een basische stof neemt H+ op uit de omgeving en bindt die aan zich. 2 HCl (aq) + Na2CO3 (aq) Æ 2 NaCl (aq) + H2CO3 (aq), dit laatste ontleedt in H2O (l) + CO2 (g) HCl (aq) + KOH (aq) Æ KCl (aq) + H2O (l) De base wil graag H+ opnemen en bevordert hierdoor de omzetting van hydrochinon in chinon. Hierbij komt immers H+ vrij. Ook komen er elektronen beschikbaar. Als hydrochinon versneld wordt omgezet in chinon, moet ook de bijbehorende omzetting van zilver ionen in zilveratomen sneller plaatsvinden, want deze reactie neemt de vrijkomende elektronen namelijk op. Bij kaliumhydroxide gaat de reactie sneller dan bij natriumcarbonaat, omdat kaliumhydroxide een sterkere base is dan natriumcarbonaat.

13 / 13