SRP: Røntgenstråling og den 2. industrielle revolution

Abstract

This study examines the technological development in Western Europe in the decades around the turn of the century, as well as it investigates the causes for this development. Furthermore it examines the x-ray, one of the most significant discoveries in this period as well as the theory behind it. In order to confirm the theory three deductive experiments were conducted at Aarhus university. At last a discussion about the societal impacts of the discovery of the x-ray will be made. Through a causal analysis the causes for the technological development were found, and the analysis pointed to a combination of factors, such as a new university model, an education financed by the state, and personal motivation were important as there appeared to be a coherence between the technological development and those factors. The experiments at Aarhus university were conducted by an x-ray tube which sent radiation toward a detector. The data from the first experiment showed that the anode in the x-ray tube most likely was made of copper as the test results only differed 0,66% and 0,045% from the theoretical value of copper. Small changes were made in the second experiment in which an absorbing object was put in between the detector and the x-ray source. In this experiment the attenuation coeffoecient was determined for 5 different energies with an average deviation of 30%. While the detector was moved in a new angle in the last experiment in order to prevent it from measuring the radiation from the x-ray source, instead it measured an unknown object which was excitated by the x-rays. Test results showed that the object mainly consisted of tin and silver. In the end, the discussion showed that the benefits of the x-rays far outweigh the negatives.

Indholdsfortegnelse

Indledning

Vesteuropa oplevede i perioden 1770-1920 en massiv opblomstring. Dette var specielt gældende under den 2. Industrielle revolution hvor den vestlige verden i perioden 1870-1914 havde en økonomi og en teknologisk udvikling der aldrig tidligere var set i historien[1]. Man begyndte at udvikle naturvidenskaben i stor stil og dette gjorde at man oplevede en fantastisk udvikling af teknologier i vidt forskellige sammenhænge. Betydningen og hastigheden hvorved disse teknologier blev udviklet medførte desuden at man havde et meget optimistisk syn på fremtiden og videnskaben. En af disse nye fantastiske opdagelser var røntgenstrålingen som i 1895 blev opdaget af tyskeren Willem Conrad Röntgen.

Men hvad var årsagerne til denne fantastiske udvikling af teknologier under den 2. Industrielle revolution? Og hvilke samfundsmæssige konsekvenser har opfindelsen af røntgenstrålingen haft? Dette vil blive analyseret og diskuteret i den følgende opgave hvor en historisk gennemgang af den 2. Industrielle revolution, samt opdagelsen af røntgen vil blive beskrevet og tjene til forståelsen af omstændighederne for disses udviklinger.

I det følgende vil der være en redegørelse for den teknologiske udvikling i Vesteuropa i årtierne omkring århundredeskiftet, samtidig med at årsagerne til denne udvikling vil blive analyseret. Deruodver vil der være en kort historisk redegørelse for opdagelsen og udviklingen af røntgenkilder helt frem til i dag. Der vil blive redegjort for sammenhængen mellem atomers struktur og karakteristiske træk ved røntgenspektre. Foruden dette vil der med udgangspunkt i forsøg udført på Aarhus Universitet blive redegjort for relevant teori og forhold omkring disses udførelse. Slutteligt vil der blive lavet en analyse af de eksperimentelle data og røntgenstrålingens samfundsmæssige følger vil herefter blive diskuteret med indragning af forsøgsresultater.

Den teknologiske udvikling i Vesteuropa i årtierne omkring århundredeskiftet til 1900

Den teknologiske udvikling i Vesteuropa i årtierne omkring århundreskiftet var ekspansiv og eksplosiv. Udviklingen af naturvidenskaben medførte store landvindinger indenfor områder såsom psykologi, medicin, industri, kemi, fysik, transport etc. På mange områder som eksempelvis kemi og elektricitet havde man allerede inden den 2. Industrielle revolution et vidst kendskab til teorien bag – men det er først i denne periode at man for alvor mestrer de nye videnskabelige felter.

Man havde før den 2. Industrielle revolution primært benyttet jern til maskiner, jernbaner etc. men jern havde mange ulemper og kunne ikke konkurrere med stål – problemet med stål var at det var dyrt at lave og det derfor ikke var et brugbart alternativ til jern. Stål erstattede jerns rolle og denne overgang ses af mange som startskuddet til den 2. Industrielle revolution[2].

En vigtig del af processen hvorved stål blev fremstillet var af kemisk karakter og det er da også i denne periode at kemien som videnskab og industri for alvor blomstrer op. Kemien udvikles indenfor mange forskellige områder her kan eksempelvis nævnes landbruget, farvestofindustrien, l samt i udviklingen af lægemidler.

I landbruget havde man allerede i 1820’erne benyttet kemien i eksperimenter med kunstgødning, men det store gennembrud indenfor gødning kom først i 1840 da Justus von Liebig udgav sin bog om agrikulturkemi[3]. I forlængelse af disse bliver Haberprocessen opfundet i Tyskland i 1908, den såkaldte Haberproces er en proces hvorved man industrielt kan producere ammonium. Haberprocessen ses i dag som en af de vigtigste kemiske opfindelser nogensinde og godt 1/3 af jordens befolkning er afhængige af ammonium som kunstgødning.

Foruden dette så har kemien også haft en afgørende rolle i udviklingen af lægemidler. En industri som begynder i 1870 hvor man producer store mængder desinficerende og bakteriedræbende væsker som phenol og bromin. I 1897 formår tyskeren Felix Hoffman at danne stoffet acetylsalicylsyre af pilebark. Acetylsalicylsyre er det aktive stof i Aspirin og han stifter hurtigt firmaet Bayer som begynder at producere vidundermidlet Aspirin– dette er en kæmpe succes.

Det er ikke et tilfælde at det er en tysker der opdager dette, for det er nemlig i høj grad tyskerne som forsker og udvikler videnskaben og industrien kemi. Denne tendens ses også i farvestofindustrien. I 1856 opdager englænderen William Perkin at man kemisk kan fremstille farvestoffet mauvein (lilla), men kort efter hans opdagelse begynder tyskerne at intensivere forskningen indenfor farvestoffer og de næste årtier er det dem som opdager langt de fleste syntetiske farvestoffer[4].

Ligesom kemien havde man allerede et vidst kendskab til elektriciteten inden den 2. Industrielle revolution, men det er ligeledes først i 1890 at man fuldt ud forstår teorien bag og derved kan udnytte elektricitetens enorme potentiale. For allerede i 1808 viste Humphrey elektricitets evne til at lyse, mens Michael Faraday i 1821 og 1831 opfandt henholdsvis den elektriske motor og dynamoen[5]. Men det var et problem at tæmme elektricitetens kræfter sådan at man kunne udnytte energien ordentligt. Enheder til at omdanne elektrisk energi til varme, lys eller kinetisk energi var nødvendige for at det skulle fungere. Dette opfindes i 1860’erne da en generator opfindes af Siemens og Warley. Herefter går det stærkt og i 1870 opfindes en ring dynamo af Z.T.Gramme, 1876 opfinder russerenen Paul N. Jachlochkoff en elektrisk buelampe der benytter vekselstrøm, i 1878 opfinder amerikaneren Charles F. Brush en ny buelampe som kører på jævnstrøm. Kampen mellem jævn og vekselstrøm er en kamp som kæmpes op igennem 1800-tallet. Men den afgøres i 1889 da Tesla opfinder en motor der kører på vekselstrøm[6]. Dette samt opfindelsen af transformere et par år tidligere løste problemerne ved vekselstrøm og det var nu klart mest rentabelt. Vekselstrøm er praktisk i forhold til at transportere strøm over lange afstande uden synderligt energitab.

Problemerne ved brugen af elektricitet var i 1890 stort set løst og en ny verden af muligheder åbnede sig.

I løbet af den 2. Industrielle revolution skete der også en udvikling indenfor transportsektoren.

Det er her at bilen for alvor begynder at slå igennem. I 1859 udvikles en firetaktsgasmotor som er en motor hvor 4 stempler sørger for at indtage, komprimere, forbrænde og udlede gassen. Denne forbedres i 1876 og i 1885 bygger Daimler og Benz en benzindrevet fire stempels motor.

Derudover blev flyet opfundet i 1903 af brødrende Wright[7] som følge af at man nu begyndte at forstå aerodynamikken.

Indenfor medicin var det specielt Pasteur og Kochs arbejde som gjorde at man nu fik en bedre forståelse for bakterier og hvordan man skulle forholde sig til sygdomme udløst af bakterieinfektioner. Dette hjalp på dødeligheden. Samtidig med at opdagelsen af røntgenstrålerne startede et nyt medicins felt – radiologi.

Der har naturligvis været flere store opfindelser i denne periode, men ovenstående er givetvis nogle af de væsentligste. Af andre signifikante var telefonen, samlebåndet, radioen, telegrafen etc.

Årsager til den teknologiske udvikling

Den teknologiske udvikling under den 2. Industrielle revolution kom ikke ud af ingenting.

Et sammenspil af forskellige faktorer gjorde at der netop på dette tidspunkt i historien sker en eksplosiv udvikling af teknologier. Udviklingen af teknologier bygger som oftest på en eller anden form for naturvidenskabelig erkendelse, derfor må man hvis man skal kigge på årsagerne til det teknologiske boom kigge på det generelle uddannelsessystem i datidens Europa.

Hertil er det oplagt at betragte den akademiske revolution i det daværende Preussen. Anført af den preussiske undervisningsminister Wilhelm von Humboldt opfører den daværende kejser Frederick William III det første ”moderne” universitet i 1810. Die Universität zu Berlin.

Universitetet bryder med den klassiske europæiske universitetsmodel og erstatter den med en fri og uafhængig forsknings og undervisningsinstitution. Her havde Humboldt lagt stor vægt på at videnskaben skulle være fri og lærere/elever skulle arbejde selvstændigt. Der skulle være akademisk frihed. Sammenspillet mellem elev og lærer skulle ikke længere forløbe som det plejede, der skulle være en selvstændighedsgørelse af eleven, hvor lærer og elev i et forskende fællesskab skulle opnå nye erkendelser[8].

I forbindelse til den akademiske frihed var det essentielt at universitetet ikke skulle tage hensyn til religiøse eller statslige anliggender. Staten kunne naturligvis kræve et vist fagligt niveau, men ellers skulle staten ikke blande sig med andet end at sørge for finansieringen. Uddannelsen skulle være uafhængig, fri og skulle så vidt mulig adskilles fra religion og stat. En central del af humboldts model var at den koblede undervisning og forskning[9]. Det vil sige at undervisningen bliver forskningsbaseret undervisning hvor der løbende overføres viden fra forskningen til undervisningen.

Men der er en vekselvirkning mellem forskningen og undervisningen. Forstået på den måde at den viden eleven får af undervisningen kan benyttes i forskningen, denne viden ligger til grundlag for ny forskning, som så igen kan udvikle undervisningen. Universitetet var ikke længere først og fremmest en læreanstalt – men derimod en forskningsanstalt[10].

Forskningen skulle ikke være pålagt at være nyttig eller egne sig til et specielt erhverv, tværtimod forskningen skulle være fri og ikke udføres i et forsøg på at opnå økonomiske, politiske eller sociale gevinster. Den skulle kun stræbe efter at opnå erkendelser indenfor uspecificerede videnskabelige områder.

Det virker umiddelbart underligt at forskning som kun gøres for forskningens skyld uden fokus på nytteværdi kan være en fordel, men det viser sig at grundforskningen er helt essentiel i udviklingen af teknologier.

Grundforskning sigter mod at erhvere ny viden og indsigt uden tanke på nytte eller praktisk værdi. Men det er denne grundforskning som skaber grundlaget for den praktisk anvendelige forskning som har en reel nytteværdi[11]. I takt med at man får en forståelse af et område som umiddelbart ikke virker til at have en praktisk værdi så kan der ske det at man kan lave en kobling fra dette område og over til et andet hvorved der kan opstå en enorm praktisk værdi. Den praktiske værdi udmunder så i en teknologi på den måde får grundforskningen altså i sidste ende indflydelse på teknologien. Det er naturligvis ikke alt grundforskning som får praktisk betydning, men en hvis procentdel ender som praktisk forskning.

Derfor markerer grundforskningen et skifte for universiteterne.

Universitetet er ikke længere kun en dannelses og embedsmandsudannelsesinstituiton men en central del af den 2. industrielle revolutions grundlag og udvikling[12].

Humboldts universitetsmodel fejrede store succeser og spredte sig i løbet af 1800-tallet til andre tyske og europæiske universiteter[13] samt til de store amerikanske universiteteter i 1870’erne[14].

Hermed blev denne i høj grad grundlaget for det vesteuropæiske universitetsuddannelsessystem og dermed også i den fantastiske udvikling af teknologier[15].

Men det er ikke alene universitetsmodellen som bliver afgørende for udviklingen. Det er i ligeså høj grad det nye statsstøttede nationale uddannelsessystem som er en afgørende faktor.

Det nye skolesystem består af grundskoler med 8 års gratis skolegang, sekundære skoler (gymnasier) og naturligvis universiteterne. Det er staten som betaler opførelsen af disse institutioner og mange af de europæiske nationer følger Preussens statsstøttedemodel i løbet af 1800-tallet.

Det at udannelsen støttes af staten må have haft en meget stor indflydelse på den eksplosive teknologivækst som opleves i perioden. Staternes massive investeringer i uddannelse skyldes flere forskellige faktorer.

For staterne er pengene givet godt ud da investering i uddannelse og forskning skaber to ting[16]. Det skaber en kvalificeret arbejdsstyrke som har den fornødne uddannelse til at arbejde indenfor naturvidenskabelige felter som kemi og elektricitet. Herved vil industrien nå nye højder som følge af den bedre uddannede menneskelige kapital.

Samtidig vil grundforskningen som udføres på universiteterne intensiveres i takt med den økonomiske støtte hvorved man givetvis ville få et øget kendskab til nye områder af naturvidenskaben. Der vil altså produceres større mængder viden som følge af den økonomiske støtte. Den større vidensmængde vil smitte af på teknologiproduktionen som vil forløbe hurtigere end hvis staterne ikke havde investeret i uddannelse og forskning.

De teknologier som udvikles som følge af forskningen på universiteterne påvirker dernæst industrien i og med nye teknologier har potentialet til at effektivisere industrien. I sidste ende smitter effektiviseringen af industrien af på samfundsøkonomien som igen falder tilbage på staten hvorved der er incitament til igen at poste penge i uddannelse og forskning og sådan fortsætter det. Oven i dette er der også prestige forbundet med udviklingen af nye teknologier som er opfundet indenfor landets grænser, hvilket naturligvis også gavner nationen.

Foruden dette har der også været et personligt incitament for at forske og opfinde.

Det til stadighed højere uddannelsesniveau gjorde at en professionel stand af naturvidenskabsmænd og ingeniører voksede frem. Disse var ikke blege for at udnytte de nye naturvidenskabelige landvindinger – og arbejdede altså ikke kun for videnskabens skyld. De ønskede profit. I årene efter den franske revolution i 1789 havde man indført ”opfinderretten” i den franske menneskretighedserklæring og i forlængelse af denne blev der indført patentregler for de fleste vestlige lande i løbet af 1800-tallet[17].

Patentreglerne betød at opfinderen af en opfindelse kunne kræve rettighederne til denne sådan at der var mulighed for en økonomisk bonus. Hermed var grundlaget lagt for at den personlige motivation også kommer til at spille en vital rolle. I og med de økonomiske gevinster forbundet med opfindelsen af nye teknologier formentlig har motiveret fattige forskere til at intensivere jagten på nye teknologier.

Hvilket vel sagtens har haft en rolle at spille i den teknologiske udvikling.

Årsagerne til den teknologiske revolution er altså ikke bare resultatet af en enkelt proces – det er et sammenspil af mange forskellige elementer. I analysen har jeg fundet frem til at det må være en kombination af det enkelte individs personlige motivation for at udvikle (læs: patent) samt et forskningsbaseret uddannelsessystem der er støttet af staten, som giver en eksplosiv teknologisk udvikling.

Opdagelsen af Røntgen og udviklingen frem til i dag

En af de opdagelser som det statsligt støttede udannelsessystem førte med sig var opdagelsen af røntgenstrålingen.

Den 8. November 1895 arbejdede tyskeren Wilhelm Conrad Röntgen i sit mørkelagte laboratorium med et såkaldt Crookes rør[18]. I forsøget var røret dækket af et sort materiale som absorberede alt strålingen udsendt fra det – det troede Röntgen i hvert fald. Men da han satte strøm til røret opdagede han at en papirskærm påmalet stoffet bariumplatincyanfür begyndte at lyse op. Papirskærmen lyste fordi den var blevet fluorsceret af røntgenstrålerne. Det var ikke et resultat han havde forventet, men Röntgen ræssonnerede sig frem til at papirskærmen lyste fordi Crooke røret måtte udsende en form for usynlig stråling – da det jo var dækket af det sorte materiale som absorberede det synlige lys. Strålerne kaldte han for X-Strahlen.

Papirskærmen blev senere erstattet af en fotografisk plade og hermed var grundlaget for røntgenbilleder lagt. Den 22. December 1895 tog Wilhelm Conrad Röntgen verdens første ”medicinske” røntgenbillede. Billedet var af hans kones hånd.

Allerede fra begyndelsen var det klart for samtiden hvilken betydning dette nye værktøj ville få i diagnosticering af eksempelvis knoglebrud[19]. Et nyt kapitel indenfor medicin var begyndt – radiologi.

Da Röntgen i 1901 modtog den første nobelpris nogensinde i fysik var det med ordene:

“there is no doubt that much success will be gained in physical science when this strange energy form is sufficiently investigated and its wide field thoroughly explore[20]”

Og de fik ret.

Da Wilhelm Conrad Röntgen første gang producerede røntgenstrålingen var det med et Crookes rør hvor anoden var ”kold”. I denne model er det den høje spænding imellem katoden og anoden som gør at luften ioniseres hvorved der frigives elektroner. Man kunne derfor ændre røntgenstrålingen ved at proppe henholdsvis mere eller lidt mindre luft ind i røret, men det var en kompleks proces og svær at kontrollere. Dette ændres i 1920’erne[21] hvor røntgenrør med varmeelementer tæt på katoden erstatter den tidligere model da man med varmelementet bedre kan kontrollere elektronstrømmen og derved røntgenstrålingen. Senere har man yderligere udviklet røntgenkilderne med opfindelsen af de såkaldte synkrotoner, som er store accelleratorer hvor elektroner sendes rundt, når disse elektroner påvirkes af en kraft som eksempelvis magnetisk afbøjning så vil de udsende stråling. Noget af den stråling som udsendes er røntgenstråling med intensiteter op til 100.000 gange større end i et normalt røntgenrør[22]. I medicinsk regi udvikles diagnostiske røntgenkilder som CT-scannere i 70’erne. CT-scannere fungerer på den måde at de roterer rundt om objektet hvorved et fokuspunkt ses fra flere sider, derved kan man i en computer lave meget præcise 3D-billeder af det ønskede område.

Røntgenstråling

Men hvad var det helt præcist Wilhelm Conrad Røntgen opdagede i 1895 – hvad er røntgenstråling egentlig?

Røntgenstråling er elektromagnetisk stråling med bølgelængder imellem 0,001-10,0 nm[23] – de ligger altså udenfor det synlige spektrum, deres energier ligger i intervallet 120eV-120keV[24]. Der findes to typer af røntgenstråling, de hårde og de bløde stråler. De hårde har bølgelængderne 0,1-0,01nm og de bløde findes i intervallet 0,10-10nm, som følge af den lave bølgelængde har røntgenstråler meget høje frekvenser hvorved de også har en meget høj energi. Derfor går de hårde direkte igennem hud og væv, men stoppes af knogler. De bløde derimod absorberes næsten fuldstændigt af kroppen og de bruges derfor i stedet til eksempelvis røntgenmikroskopi. Røntgenstrålingens høje energier gør at den er ioniserende, hvorved man skal beskytte sig så vidt muligt imod den

Røntgenstråler fremstilles ved at man i et luftomt rør(vakuum) har henholdsvis en katode og en anode. Glødetråden(heater på billede) ved den negative katode frigiver elektroner der, som følge af spændingsforskellen imellem glødetråden og anoden, acceleres hen imod den positive anode. I sammenstødet med anoden mister elektronen sin kinetiske energi og en del af denne energi udsendes i stedet som fotoner[25].

Bremsestråling og karakteristisk stråling

Der findes to forskellige typer røntgenstråling som begge kan forekomme samtidig i røntgenrøret.

Bremsestrålingen fremkommer når elektroner afbøjes inde i et fast stof som følge af et eller flere sammenstød med stoffets atomer. Denne afbøjning gør at elektronerne deacceleres. Og som følge af termodynamikken er det sådan at ladede partikler der ændrer fart vil udsende en del af deres kinetiske energi som stråling. Fotonerne som udsendes kan have vidt forskellige frekvenser, men nogle af disse fotoner vil have en frekvens som gør at de kan klassificeres som røntgenstråling. Fotonenergien følger følgende formel:

Da fotonets energi ikke kan overskride elektronens kinetiske energi. H er plancks konstant, f er frekvensen og E_kin er den samlede kinetiske energi i elektronen[26].

I røntgenrøret sker udsendelsen af stråling når elektronerne rammer anoden. Men det er kun en brøkdel af de elektroner som rammer anoden der omdannes til røntgenstråling. Faktisk omdannes mindre end 1% af den elektriske energi i røntgenrøret til røntgenstråling, resten absorberes primært som termisk energi i anoden[27]. Derfor er anoden ofte vandnedkølet. Det spektrum bremsestrålingen laver er kontinuert som følge af at strålingen fra anoden har vidt forskellige bølgelængder.

Den karakteristiske stråling fremkommer hvis en elektron med stor kinetisk energi slår en anden elektron fra et atoms elektronskal løs (se nedenstående illustration), hvorved elektronerne fra de andre skaller vil udfylde hullet og springe imod den tomme elektrons skal. Når elektronerne springer fra en ydre til en inderliggende skal udfører de et såkaldt kvantespring og frigiver energi i form af stråling. Imellem de enkelte skaller er der en veldefineret energi, hvilket betyder at der altid vil frigives præcis samme energimængde for en elektron der springer fra L-skallen til K-skallen. Desto længere væk fra kernen skallen ligger desto mere energi frigives der når den springer ind til grundtilstanden, som er den inderste skal. Fotonerne som udsendes ved kvantespringene er den karakteristiske røntgenstråling[28]. I røntgenrøret dannes dette når elektronerne støder ind anoden, hvilket kan føre til at nogle af elektronerne i anoden slås løs (ionisering), hvorved karakteristisk stråling vil blive udsendt som følge af at elektronerne i anodens atoms ydre skaller vil hoppe ind og erstatte de tomme pladser i skallerne. Energien af de fotoner som emitteres som følge af kvantespringene kan findes ved hjælp af formlen:

[29]

For at benytte denne er det dog nødvendigt at man kender energiniveauet for den enkelte skal.

Skallerne som elektronerne er anbragt i har forskellige energier alt efter hvilket grundstof der er tale om. Deres energi kan findes ved hjælp af Bohr forsimplede formel:

[30]

Hvor Z betegner antal protoner i stoffet, n betegner de forskellige skaller og betegner energien ved den specifikke skal.

Det er med udgangspunkt i denne formel at man kan konkludere at overgangen fra L til K skallen er unik for det specifikke grundstof da energien som frigives ved kvantespring vil være forskellig alt afhængig af stoffet.

Det vil altså sige at der er forskel på energien som udsendes ved et kvantespring fra L til K i et kobber atom og i et tin atom. Hermed kan man ved at kigge på røntgenspektrummets toppe identificere stoffet. Atomets struktur bestemmer energien af den karakteristiske stråling som udsendes.

Der er dermed en klar sammenhæng mellem atomets struktur og den karakteristiske stråling.

Fluorscens

Et andet velkendt træk ved røntgenstråling er at den giver anledning til fluorscens. Det er netop denne egenskab som gjorde at Röntgen i første omgang opdagede røntgenstrålerne. Fluorscens er et lysfænomen som optræder når fotoner eller elektroner exciterer et objekts elektroner, objektets elektroner henfalder så til grundtilstanden i et eller flere trin under udsendelse af stråling. Strålingen fra de henfaldne elektroner vil herefter kunne analyseres hvorved man kan identificere præcist hvilke grundstoffer objektet består af. [31]

Absorption

Når røntgenstråling passerer et materiale så vil intensiteten reduceres som følge af at noget af strålingen absorberes i materialet. Materialets densitet, tykkelse samt strålingens energi har betydning for meget strålingen reduceres, dette skyldes bla. fotoabsorption.

Fotoabsorption er en fysisk proces hvor fotonen frigører en elektron med en specifik bindingsnerigi E_b. fra et atom i det absorberende materiale.

Herved vil elektronen undslippe med følgende energi:

Hvor er formlen for røntgenkvantets energi, er bindingsenergien og er elektronens kinetiske energi som den undslipper med. For at elektronen skal kunne løsrives skal det dog opfylde at E_foton > elektronløsrivelsesenergien.

Som følge af elektronens udsendelse så vil der være en manglende elektron i en af atomskallerne og der vil derfor udsendes sekundær stråling (som egentlig er karakteristisk stråling), da de andre elektroner vil henfalde mod den manglende elektron.

På Aarhus Universitet er der blevet lavet eksperimenter med udgangspunkt i den ovenstående teori. Forsøgene bekræftede teorien og blev udført ved at et røntgenapparat sendte røntgenstråling mod en Ge-detektor (se nedenstående billede). Røntgenstrålingen havde energien 0-40 keV og Ge-detektoren analyserede strålingen fra røntgenkilden. Detektoren var nedkølet til 77 Kelvin for at fjerne elektrisk støj. I forsøget med absorption var eneste ændring at et ukendt materiale blev sat imellem røntgenkilden og detektoren. Mens Ge-detektoren i fluorscens forsøget blev flyttet, sådan at røntgenstrålingen fra røntgenrøret ikke blev registreret. Her var røntgenstrålerne rettet mod et ukendt materiale og Ge-detektoren registrede i stedet den karakteristiske stråling fra dette materiale.

Analyse af stråling fra Røntgenrør

Formålet med denne var at analysere strålingen fra Røntgenrøret både den karakteristiske stråling samt bremsestrålingen

Materialer: Røntgenrør, Ge-detektor, computer

Resultaterne af vores tre forsøg hvor spændingen over røntgenrøret var henholdsvis 12kV,24kV og 36 kV. X-aksen for alle graferne er i enheden keV og y-aksen er tælletallet.

Ved at aflæse grafen ser vi at bremsestrålingens intensitet går mod 0 omkring værdien 12,2 keV.

Det er lidt svært at se på denne graf, men måledataene (vedhæftet bilag) viser at bremsestrålingen her slutter ved 24,1 keV.

Man kan næsten ikke se bremsestrålingen her, men den er der og den slutter her ca. ved 35,7 keV.

Inden forsøget gik i gang forventede vi at bremsestrålingen ville slutte ved henholdsvis 12 keV, 24 keV og 36 keV. Det gjorde vi eftersom formlen for fotonernes energi er:

dvs. at energien fra strålingen ikke kan overstige elektronernes kinetiske energi, men maksimalt kan være lig med. Elektronernes kinetiske energi kan findes ved:

Hvor e er elementarladningen og U er spændingsforskellen mellem anoden og katoden herved får vi:

Og da 1e=1eV

Så får vi ganske enkelt fotonernes maksimale energi til at være:

Tilsvarende finder vi den forventede maksimale energi af elektronerne til at være 24keV og 36keV i forsøgene hvor spændingen var på 24kV og 36kV.

Vi forventede desuden at bremsestrålingen E ville være at finde i 0<E fordi at strålingen naturligvis ikke kan have en energi på 0 da fotoners energi følger formlen E=h*f og hvis energien af fotonerne er 0 så har den ingen frekvens hvorved det ikke er en foton. Samtidig ville den ikke kunne være lig med elektronens kinetiske energi, da udsendelse af stråling kræver en form for (de)acceleration af en ladet partikel. Derfor forventes den at ligge i intervallet ]0;12keV] Det er værd at nævne at bremsestrålingen ikke starter lige efter 0,0 keV men først senere, fordi at vi havde bedt computeren om at fjerne målingerne i intervallet 0,0-2,8 keV pga. målestøj.

Vi beregner den procentvise afvigelse ved at benytte følgende formel:

For 12v:

For 24v:

For 36v:

Altså meget pæne resultater som dog alligevel kunne have været mere præcise. Årsagerne til at de eksperimentelle data ikke er helt præcise kan skyldes mange ting. Det skyldes formentlig primært at måleudstyret ikke har den fornødne præcision der skal til for at måle 100% korrekt, men derudover er det også værd at nævne apparatets følsomhed. Apparatet var en smule ustabilt og stod og svingede imellem de fastsatte værdier for spændingen på henholdsvis 12,24 og 36 kV, hvilket har gjort at bremsestrålingen har kunnet forløbe lidt længere eller kortere end forventet. Dette har muligvis påvirket resultatet, men i begrænset grad da sandsynligheden for at den har trukket i den ene retning er ligeså stor som i den anden retning. Alt i alt må man konkludere at forsøget har været en succes og at vi med god præcision eksperimentelt har bekræftet intervallet hvorved bremsestrålingen kan ligge.

Figur 1 – Serie 1(12kV) serie 2(24kV) serie3(36kV), billedet viser de tre grafer overfor hinanden.

De tre grafer er blevet samlet for at kunne sammenligne dem med hinanden.

Ovenstående graf viser at spændingen der løber over anoden og katoden har stor betydning for intensiteten, men at den karakteristiske stråling ikke afhænger af spændingsforskellen. Årsagen til den øgede intensitet er at når vi sætter større spænding på apparatet, vil flere elektroner fra glødetråden blive accelereret ned mod anoden. Der er altså både flere elektroner, og de kommer hurtigere, hvorved der bliver dannet mere røntgenstråling. Og derved stiger intensiteten altså.

Vi aflæser de to toppe til at ligge i henholdsvis 8,1keV og 8,9keV ud fra grafen og måleresultaterne, hvor K_? måles til 8.1 keV og k_?måles til 8,9 keV. Herved ved vi at den energi som udsendes ved et spring fra L til K skallen er på 8,1 keV, mens kvantespringet fra M til K skallen kræver at 8,9 keV frigives. Bemærk her at energien for k_? er højere end k_?_, men at dens top er meget mindre fordi denne overgang forekommer mindre hyppigt.De fleste kvantesptring forekommer altså fra L til K skallen.

Værdierne for K_? og K_?ligger så tæt på tabelværdierne for kobber på 8.904 og 8,047 at vi må formode at anoden består af kobber.

VI benytter følgende formel til at bestemme den procentvise afvigelse:

for K_? værdien

for k_? værdien

Altså en meget meget lille afvigelse fra det forventede. Afvigelsen skyldes højst sandsynligt at måleinstrumenterne ikke har kunnet være tilstrækkelig præcise. Måleudstyret kan ikke måle mere præcist end 2 decimaler og da tabelværdien for kobbers overgange er på hele 4 betydende cifre så må vi altså konkludere at vi ikke kan komme tættere på et nøjagtigt resultat med instrumenterne på Aarhus universitet. Det virker ikke sandsynligt at der skulle have været mange andre fejlkilder/usikkerheder med afgørende betydning selvom det selvfølgelig ikke kan afvises.

Med måleapparaturets præcision som den primære fejlkilde så må vi alligevel med stor sikkerhed konkludere at anodens materiale består af kobber. Hermed har vi bekræftet at man kan identificere stoffer ud fra deres karakteristiske stråling.

Absorption

Formålet med forsøgene var at bestemme grundstofferne i ukendte materialer ved hjælp af røntgenstråling, samt at bestemme den lineære absorptions koefficient for disse.

Materialer: metaller, røntgenrør, Ge-detektor og en computer.

Resultater:

Som tidligere nævnt afhænger stoffets absorbation af tykkelsen og densiteten af stoffet.

Vi betragter som det første absorptionskanten som vi ved aflæsning finder til at være på 19,9 keV. Herefter kigger vi på tabellen og ser at absorptionskanten for molybdæn er på 20,002 keV, dette er meget tæt på det eksperimentelle resultat og vi antager derfor at vi har med molybdæn at gøre.

Man ser en skarp absorptionskant i det målte spektrum. Dette skyldes, at når strålingen har højere energi end elektronerne i materialets bindingsenergi, vil der løsrives elektroner i materialet og til gengæld vil røntgenenergien absorberes.
Stråling med vil derfor bliver absorberet.
Absorptionskanterne fremkommer altså fordi, at disse højere energier har samme størrelse som atomets ioniseringsenergi (eller bindingsenergi ) og vi har dermed mulighed for at overføre alt energien fra røntgenstrålerne til løsrivelse af en elektron. Elektronen udsendes som en fotoelektron som følge af den fotoelektriske effekt.
Absorptionskanten er materialeafhængig, og man kan derfor benytte denne til materialebestemmelse. Der kan forekomme flere absorptionskanter, da både K og L elektroner kan løsrives. På denne graf har vi dog kun absorptionskant K som har tabelværdien på 20,002 keV. Det er altså elektronerne i K-skallen som løsrives og derved har de en bindingsenergi på ca. 20 keV.

Der forekommer igen et bremsespektrum som følge af at det stadig er fra røntgenrøret at strålingen udsendes. Tilsvarende ser vi at der er karakteristisk stråling ved 8,1 og 8,9 keV. Det har vi tidligere vist er k_? og K_? og det skyldes at røntgenrøret stadig udsender denne stråling da anoden er lavet af kobber. Intensiteten af den karakteristiske stråling er dog reduceret som følge af at materialet mellem rør og detektor har absorberet en stor del af strålingen.

Vi kan ud fra intensiteten (henholdsvis før og efter passage af materialet) og materialets tykkelse bestemme den lineære absorptionskoeffoecient.

Den lineære absorptionskoefficient fortæller om i hvor høj grad intensiteten af strålingen reduceres igennem et specifikt stof. Den har enheden . Vi kan ved at benytte røntgenstråling til absorption finde absorptionskoefficienten som funktion af energien.

Vi benytter formlen:

som vi ændrer til

Her er I intensiteten efter passagen gennem materiale, I_o er intensiteten inden passage, x er tykkelsen af materialet og μ er den lineære absorptionskoefficient. VI tager udgangspunkt i røntgenenergien på 10,3 keV for stoffet Molybdæn.

I_o=2580

I=215

x=0,004cm

Den lineære absorptionskoefficient for molybdæn ved 10,3 keV er altså .

Vi beregner følgende lineære absorptionskoefficienter på samme måde:

15,4 keV→ ?=

20,0 keV→ ?=

24,6 keV→ ?=

30,0 keV→ ?=
Vi ser altså at der er en relativt stor afvigelse imellem den målte absorptionskoeffoecient og for tabelværdiernes absortpionskoefficienter– vi beregner den procentvise afvigelse:

For 10,3 keV:

For 15,4 keV:

For 20,0 keV:

For 24,6 keV:

For 30 keV:

Lægges værdierne sammen fås en gennemsnitslig afvigelse på -30,036 %

Hvilket må siges at være en stor afvigelse fra det forventede. Det er formentlig en kombination af forskellige faktorer som giver afvigelsen. Den mest sandsynlige er dog at vi måske har vi målt forkert sådan at vi har målt metalpladen til 0,004cm hvor den i virkeligheden har haft en længde på 0,003cm. En sådan fejl ville betyde at alle vores målinger ville blive lavere end hvad de reellt burde være og vi ville derfor få en negativ slagside.

Årsagen til dette er at intensiteten som måles på begge sider af det absorberende materiale vil blive reduceret igennem de 0,003 cm materiale, men vi ville beregne det som 0,004cm derved vil et fald i intensitet på 100 tællinger betyde et reellt fald pr. 0,001cm på 33,33, men vi ville beregne dette til 25. Altså et mindre tal en hvad det reellt er.

En anden årsag til vores relativt store afvigelse kunne være at luften tilfældigvis absorberede en større del af røntgenstrålingen i målingen hvor røntgenstrålingen blev sendt igennem molybdæn. Dette er dog ret usandsynligt og ville have en meget begrænset og tilfældig effekt da røntgenstrålingen i målingen uden materiale skulle passere samme mængde luft.

På trods af den relativt store afvigelse må vi dog konkludere at vi overordnet set med nogenlunde præcision kan bestemme den lineære absorptions koeffoecient for molybdæn.

Hermed har vi bekræftet at materialet og den lineære absorptionskoeffoecient kan bestemmes ud fra henholdsvis absorptionskanten samt ud fra tykkelsen og intensiteten af strålingen før og efter passage.

Fluorscens

Formålet med dette forsøg var at bestemme ukendte materialers grundstoffer ud fra deres røntgenspektrum.

Materialer: Røntgenrør, Ge-detektor, materialer

Vi måler på et moderne loddetin.

Vi kan ved at aflæse toppene se hvilke overgange der forekommer og derved altså hvilke grundstoffer det pågældenne materiale er sammensat af, da det er karakteristisk stråling som udsendes fra materialet. Vi aflæser de store toppe til at være på henholdsvis 22,1keV 25,1keV og 28,4 keV.

Nu finder vi i vores tabel(bilag) hvilke stoffer som har k_? og K_? overgange ved disse værdier.

VI ser at sølv har overgangene 22,162 keV og 24,942 keV mens tin har 25,270 keV og 28,483 keV. Men da vi kun ser tre toppe er dette meget mystisk, årsagen til at vi kun ser 3 er at to af toppene (24,942 keV og 25,270 keV) ligger oven i hinanden hvorved vi i stedet ser en fællessøjle med stor intensitet. VI konkluderer derved at materialet primært består af sølv og tin, hvor tin har k_?overgang ved 25,1 keV og k_?ved 28,4 keV, mens sølv har k_? ved 22,1 keV og k_? ved 25,1 keV.

Der ses derudover en masse små toppe hvilket kunne tyde på at materialet også bestod af en lille procentdel af et bredt udvalg af andre grundstoffer.

Den procentvise afvigelse findes:

For sølv:

K_?:

For tin:

K_?:

Igen får vi nogle meget flotte resultater, hvor fejlmarginen er minimal. At der så alligevel er en afvigelse skyldes som tidligere nævnt måleudstyrets præcision samtidig med at sølvs k_? og tins k_? overgang overlappede hinanden hvorved det har været svært at identificere det enkelte stofs unikke top da de flød sammen i 25,1 keV – som er punktet imellem sølvs k_? tabelværdi og tins k_? tabelværdi.

Alligevel må man sige at vi med fremragende præcision har bestemt det ukendte materiale til primært at bestå af tin og sølv.

Det er altså blevet bekræftet at fluorscens kan benyttes til identifikation af materialer.

Diskuter de samfundsmæssige følger af opfindelsen af røntgen med inddragelse af forsøgsresultater

Ud fra forsøgene på Aarhus universitet ses det af røntgenstrålingen er et fremragende værktøj til at identificere ukendte materialers bestanddele. Dette ser man eksempelvis i forsøget hvor fluorscensmetoden blev benyttet til at identificere grundstofferne i ukendte materialer.

På grafen er fluorscensmetoden benyttet til at identificere stofferne i mønten. Ved at kigge på toppene kan man finde at mønten består af kobber og nikkel med størstedelen af kobber. Dette skyldes den karakteristiske stråling som udsendes.

Man kan altså hurtigt nemt og effektivt identificere et bestemt materiales bestanddele. Denne evne til at identificere grundstoffer har gjort at røntgenstrålingen har fået en fremtrædende rolle indenfor kemien, arkæologien og geologien. Indenfor kemien har man ved hjælp af metoden røntgenspektrometri kunnet bestemme vilkårlige stoffers grundstofsammenhæng, stoffets kemiske tilstand samt stoffets elektriske tilstand (hvorvidt elektroner er exciterede eller ej). I kemien har man også benyttet metoden røntgenkrystallografi. Ved at sende en røntgenstråling igennem en krystal kan man ved at måle på intensiteten og vinklerne som strålingen afbøjes med bestemme krystallets struktur, kemiske sammensætning og størrelsen på atomerne. Røntgen krystallografi bruges også indenfor biologien hvor den har bestemt mange biologiske molekylers struktur og funktion inkl. DNA’s[33]. Opdagelsen af DNA har påvirket samfundet på mange måder eksempelvis har opdagelsen af DNA og dens struktur været medvirkende til at man i dag kan benytte DNA som bevis i kriminalsager, men det har også gjort at man bedre kan målrette og designe medicamenter[34]. Overordnet set er det da også specielt indenfor lægevidenskaben at røntgenstrålingen har haft størst påvirkning. Allerede I 1899 skriver lægen J.P Mygge om røntgenstrålernes store sundhedsmæssige betydning, her beskrives det hvordan

røntgenstrålerne kan bruges til diagnostering af knoglebrud, fremmedlegemer i kroppen (kugler, splinter – primært krigs materiel) etc. Mygge nævner endda at man succesfuldt kan diagnosticere for lungetuberkulose.

”Forfatterens personlige Erfaring gaaer i retning af, at røntgenstrålingen have en fremtid for sig ogsaa ved Diagnosen af lungetuberkuloses begyndelsesstadier” S 102.

Og han fik ret. I 1920’erne gør kontrastmedier det muligt effektiv at diagnosticere lungesygdomme hermed får røntgenstrålerne en endnnu større indflydelse på befolkningens sundhed[35]. Røntgenstrålingens primære opgave har altid været at diagnosticere patienter, hvorved eventuelle sygdomme kunne opdages og bekæmpes med andre medikamenter. Det har altså primært været indirekte at røntgenstrålingen har haft en samfundsmæssig påvirkning. Dette er dog med undtagelse af strålebehandling, hvor den ioniserende røntgenstråling er blevet benyttet til at bekæmpe kræfttumorer. Dette skyldes at kræfttumorer reagerer stærkere på den ioniserende stråling end normale celler, hvorved de hurtigere end normale celler dør i en strålebehandling.

Røntgenstraalerne har altså haft en betydning for at den generelle sundhedstilstand i samfundet er blevet forbedret bla. som følge af opdagelsen af røntgenstrålingen – man kan måske endda gå så langt som at sige at den har været en medvirkende faktor til den stigning i levealder som det meste af verden har oplevet de sidste 100 år.

Det er da heller ikke et tilfælde at røntgenstrålingen i 2009 blev kåret som dette århundredes vigtigste opdagelse[36].

Røntgenstrålingen er et fantastisk værktøj indenfor mange forskellige områder. Dens brede anvendelsesmuligheder gør at den har en stor betydning for vores samfund. Samtidig medfører dens positive egenskaber og dens brede anvendelsesmuligheder at vi som enkeltpersoner jævnligt kommer i kontakt med røntgenstrålerne. De benyttes i CT-scannere, lufthavnsdetektorer, hos lægen, hos tandlægen etc.

Ligesom alle andre teknologier har røntgenstrålerne også sine svagheder.
Udover de åbenlyse gavnlige effekter ved røntgenstrålingen så må man ikke glemme at røntgenstråling er såkaldt ioniserende stråling hvilket altså betyder at de kan skabe skadelige frie radikaler i biologisk væv. Røntgenstråling kan føre til kræft. I forsøgene på Aarhus universitet har vi set at der forekommer en såkaldt absorptionskant, når strålingens energi er større end bindingsenergierne i elektronerne, hvorved det pågældende atom bliver ioniseret. Tilsvarende fotoelektriske effekt sker i menneskekroppen hvor røntgenstråling med energier højere end bindingsenergierne i kroppens atomer kan løsrive elektroner som vil bevæge sig videre i vævet og afgive sin kinetiske energi ved sammenstød med andre elektroner. Hermed bliver der skabt en række fremmede kemiske stoffer i vævet som kan uoprettelige skader på vævet. Cellekernerne i kroppen er desuden meget modtagelige overfor stråling og da DNA’et findes i cellekernen så kan stråling medføre at DNA’et beskadiges hvorved kræft kan udvikles ved celledeling.

Det medicinske værktøj har altså en uheldig sundhedsmæssig konsekvens. Da man opdagede faren ved strålingen tog man nogle forholdsregler herved mindskede strålingens skadelige virkninger. Men selvom man tager forholdsregler så udgør teknologien alligevel en risiko og gør det stadig den dag idag. Undersøgelser har vist at selv små doser af røntgenstråling kan have en signifikant indvirkning på kræft risikoen og brugen af CT-scannere menes i fremtiden at komme til at stå for hele 1-2% af alle kræfttilfælde. Flere tusinde mennesker udvikler hvert år kræft som følge af røntgenstrålingen.

” Exposure to X-rays and gamma rays, even at low-dose levels, increases risk of cancer”[37]

” In a few decades, as many as 2 percent of all cancers in the United States might be due to radiation from CT scans given now”[38]
På trods af dette så må man alligevel sige at risikoen for at udvikle kræft som følge af røntgendiagnostik set i forhold til den generelle samfundsnytte er til at leve med.

De positive egenskaber ved røntgenstrålerne opvejer klart de negative og årligt hjælpes

tusindvis af mennesker med livsvigtige diagnoser som havde været umulige uden røntgenstrålingens hjælp. Røntgenstrålingens positive effekt på os og vores samfund er enorm og har en stor betydning for vores sundhedstilstand. Oveni dette så har røntgenstrålernes brede anvendelsesmuligheder åbnet op for nye videnskaber og nye erkendelser som har medvirket til en øget forståelse for vores den verden vi lever i – både på et mikroskopisk og et makroskopisk plan. Videnskaber som kemi, geologi, astronomi, arkæologi etc. havde mistet et værdifuldt værktøj uden røntgenstrålingen.

Derfor må man altså i sidste ende konkludere at røntgenstrålerne er kommet for at blive.

Konklusion

Alt i alt må vi konkludere at den store teknologiske udvikling i årtierne omkring år 1900 skyldes en kombination af flere elementer. Udviklingen sker som følge af et nyt statstøttet uddannelsessystem, hvor man fokuserer på grundforskning og akademisk frihed, samtidig med at indførelsen af patentreglerne giver den enkelte forsker et økonomisk incitament for at udvikle nye teknologier. En af de vigtigste opdagelser som gøres i perioden er røntgenstrålingen som i 1895 opdages af tyskeren Wilhelm Conrad Röntgen. Røntgenkilderne har siden da udviklet sig meget og kan i dag findes som store partikelaccelleratorer, såkaldte synktrotoner. På Århus universitet blev tre forsøg udført med henblik på at bekræfte teorien bag fænomenerne absorption, fluorscens, bremsestråling og karakteristisk stråling. Samtidig med at røntgenspektres karakteristiske træk afslørede at sammenhængen mellem atomets struktur og denne er at spektret ændres alt efter hvilke kvantespring elektronerne laver, samt alt efter hvilket atom der er tale om.

Oven i dette blev det konkluderet at strålingsfaren ved røntgenstråling ikke var et stort nok problem i forhold til samfundsnytten til at man bør afskaffe røntgenstrålingen.