Tia X là gì ? Ứng dụng của tia X

Tia X là gì ? Ứng dụng của tia X

Tia X là gì ? Tia X (X-ray) là một dạng bức xạ điện từ có bước sóng rất ngắn, nằm giữa tia cực tím (UV) và tia gamma trong phổ điện từ. Tia X có năng lượng cao và khả năng xuyên thấu qua các vật thể, đặc biệt là các mô mềm trong cơ thể, nhưng lại bị chặn bởi các vật liệu dày đặc như xương hoặc kim loại.

Vì vậy, tia X thường được sử dụng rộng rãi trong y học và nhiều lĩnh vực khác.

Tia X được phát hiện vào năm 1895 qua thí nghiệm của nhà vật lý học người Đức Wilhelm Röntgen. Ông muốn kiểm tra xem liệu tia cathode có thể đi qua tấm kính được hay không. Khi cho 1 ống cathode hoạt động, ông phát hiện ra có một bức xạ mắt thường không thấy được phóng ra từ vỏ thủy tinh đối diện với cathode.

Ông gọi chúng là tia X vì sự bí ẩn chưa được khám phá ra. Nhờ phát hiện này và quá trình nghiên cứu không mệt mỏi để tìm ra bí mật của tia X đã mang lại cho ông giải Nobel vật lý đầu tiên năm 1901.

Cơ chế tạo ra tia X

Để tạo ra tia X cần sử dụng ống Cu-lit-gơ làm nguồn phát. Quá trình tạo ra tia X gồm có:

• Cung cấp năng lượng cho nguồn phát. Electron của Catot được tăng tốc trong điện trường mạnh nên có động năng rất lớn, di chuyển về phía Anode.
• Khi gặp các nguyên tử trên cực Anode, các electron này xuyên sâu vào vỏ nguyên tử, tương tác với hạt nhân và các lớp electron của nguyên tử làm dịch chuyển các electron qua các tầng sắp xếp theo mức năng lượng. Chính quá trình dịch chuyển từ tầng này sang tầng khác của các electron tạo ra tia X.

Qua quá trình đó đã tạo ra 2 dạng tia X là ‘bức xạ hãm’ và tia X-ray đặc trưng:

• Bức xạ hãm: Được tạo ra do sự tương tác giữa các electron và hạt nhân nguyên tử vật liệu làm bia. Hình ảnh được tạo ra khi chụp X quang là do bức xạ hãm.
• Tia X đặc trưng: Được tạo ra khi các electron bắn vào bia làm các hạt electron của các nguyên tử trên vật liệu làm bia bị bắn ra, lệch khỏi quỹ đạo.  Tia X này được gọi là tia X đặc trưng vì nó đặc trưng riêng cho từng loại nguyên tố làm bia. Tia X-ray đặc trưng sinh nhiệt lớn có biện pháp giảm nhiệt để bảo vệ đầu đèn.

Các tính chất của tia X

Tia X có những tính chất đặc trưng như là:

Bước sóng và năng lượng: 

• Tia X có bước sóng nhỏ, trong khoảng từ 0,01 đến 10 nm tương ứng với dãy tần số từ 30 Petahertz đến 30 Exahertz (3×10^16 Hz to 3×10^19 Hz). Mức năng lượng photon từ 124 eV đến 124 keV. Trong số các tia, bức xạ được con người phát hiện ra thì tia X có mức năng lượng lớn thứ 2 chỉ xếp sau tia Gamma.
• Tia X được phân loại thành tia X cứng và tia X mềm dựa vào mức năng lượng photon:

• Các tia X-ray cứng có năng lượng cao trên 5-10 keV, bước sóng dưới 0,2-0,1nm. Chúng có khả năng xuyên qua vật thể nên được ứng dụng trong chụp X-quang y tế và kiểm tra an ninh sân bay; xác định cấu trúc tinh thể.
• Các tia X-ray mềm dễ bị hấp thụ trong không khí, có mức năng lượng khoảng 600eV, bước sóng 2nm; trong môi trường nước giảm còn < 1nm.

Tính truyền thẳng và khả năng đâm xuyên:

Tia X truyền thẳng theo mọi hướng và có khả năng đâm xuyên qua mọi vật chất, kể cả cơ thể con người hay những vật có khả năng chắn sáng thông thường như gỗm thủy tinh, kim loại mỏng… Khi tia X-ray có bước sóng ngắn, cho mức năng lượng lớn thì khả năng xuyên qua càng tăng.

Khả năng bị hấp thụ: 

Khi tia X đâm xuyên qua các vật cường độ của chúng bị giảm do một phần năng lượng của chúng bị hấp thụ. Tính chất này của tia X đã được ứng dụng làm cơ sở cho phương pháp chẩn đoán hình ảnh X-quang. Mức độ hấp thụ của tia X tỉ lệ thuận với:

• Mật độ cấu trúc của vật hấp thụ: Số lượng nguyên tử trong 1 thể tích của vật càng nhiều thì mức độ hấp thụ càng tăng.
• Trọng lượng của nguyên tử: Trọng lượng nguyên tử của vật bị chiếu càng lớn thì sự hấp thụ càng tăng.
• Thể tích của vật bị chiếu xạ: Cường độ hấp thụ tăng theo thể tích của vật.
• Bước sóng của chùm tia: Tia X bị hấp thụ càng nhiều khi có bước sóng càng dài.

Tính chất quang học: Tia X-ray có đầy đủ các tính chất quang học như khả năng khúc xạ, tán xạ, phản xạ, nhiễu xạ. Có khả năng làm phát quang một số chất.

Khả năng mắt người nhìn thấy: Mắt người không có khả năng nhìn thấy tia X do chúng là tia bức xạ mạnh, bước sóng lớn hơn dải ánh sáng mà mắt người nhìn thấy được.

Tác dụng sinh học: 

Tia X có tác dụng sinh học mạnh mẽ. Do bước sóng ngắn nên chúng có năng lượng lớn nên khi hấp thụ vào cơ thể chúng có khả năng gây ion hóa và gây biến đổi DNA trong phân tử trong tế bào sống. Điều đó làm tăng nguy cơ đột biến, xuất hiện ung thư.

Ứng dụng của tia X:

1. Trong y học:
   • Chẩn đoán hình ảnh (X-quang): Tia X-ray được sử dụng để tạo ra hình ảnh của xương và các cấu trúc bên trong cơ thể, giúp bác sĩ phát hiện các vấn đề như gãy xương, nhiễm trùng, hoặc các bệnh về phổi.
   • Chụp cắt lớp vi tính (CT Scan): Tia X kết hợp với máy tính để tạo ra các hình ảnh ba chiều chi tiết về cấu trúc bên trong cơ thể, giúp phát hiện và chẩn đoán các bệnh lý phức tạp hơn như u bướu, tổn thương nội tạng.
   • X-quang vú (mammography): Tia X được sử dụng để kiểm tra và phát hiện ung thư vú ở giai đoạn sớm thông qua việc chụp X-quang tuyến vú.
   • Xạ trị: Trong điều trị ung thư, các tia X năng lượng cao được sử dụng để tiêu diệt các tế bào ung thư hoặc thu nhỏ các khối u.
2. Trong công nghiệp:
   • Kiểm tra và đánh giá chất lượng vật liệu: Tia X được sử dụng để phát hiện các khuyết tật trong các sản phẩm kim loại, như nứt, lỗ rỗng, hoặc các vấn đề khác mà không cần phá hủy sản phẩm (kiểm tra không phá hủy – NDT).
   • Kiểm tra an ninh: Trong các sân bay, máy quét tia X-ray được sử dụng để kiểm tra hành lý, phát hiện các vật thể nguy hiểm hoặc chất cấm như vũ khí hoặc ma túy.
3. Trong nghiên cứu khoa học:
   • Kết tinh học tia X (X-ray crystallography): Tia X được sử dụng để xác định cấu trúc nguyên tử và phân tử của các tinh thể. Phương pháp này đã đóng góp quan trọng trong việc giải mã cấu trúc của DNA và các protein.
   • Phân tích thành phần nguyên tố: Tia X được dùng để xác định các thành phần hóa học trong các mẫu vật liệu. Đây là kỹ thuật phổ biến trong các lĩnh vực như địa chất học, vật lý học và hóa học.
4. Trong lĩnh vực nghệ thuật và khảo cổ học:
   • Kiểm tra tác phẩm nghệ thuật: Tia X-ray giúp các nhà bảo tồn và phục hồi nghệ thuật kiểm tra cấu trúc bên trong của các tác phẩm nghệ thuật, phát hiện các lớp vẽ cũ hoặc xác định tính xác thực của các tác phẩm.
   • Khảo cổ học: Tia X-ray được dùng để chụp và phân tích các di vật, xác ướp, hoặc các hiện vật cổ mà không cần phá hủy chúng.
5. Trong thiên văn học:
   • Quan sát không gian: Tia X-ray được sử dụng trong các đài quan sát và kính viễn vọng để nghiên cứu các hiện tượng vũ trụ như lỗ đen, siêu tân tinh và các sao neutron, vốn phát ra lượng lớn tia X-ray.