Tia Sáng

Tia X (hay còn gọi là tia X-ray hoặc tia Röntgen) là dạng sóng điện từ. Tia X thường có bước sóng từ 0,01 đến 10 nanomet, tần số từ 30 Petahertz đến 30 Exahertz (3×10¹⁶ Hz đến 3×10¹⁹ Hz) và năng lượng từ 120 eV đến 120 keV. Trong nhiều ngôn ngữ, tia X được gọi là tia Röntgen, đặt theo tên nhà khoa học Wilhelm Röntgen, người phát hiện ra loại bức xạ này.

Các dải năng lượng của tia X

Tia X cứng và tia X mềm

Tia X với năng lượng photon cao (trên 5-10 keV, bước sóng dưới 0,2-0,1 nm) được gọi là tia X cứng, trong khi tia X với năng lượng thấp được gọi là tia X mềm. Tia X cứng có khả năng xuyên qua mạnh mẽ và thường được dùng để chụp X-quang trong y tế và kiểm tra hành lý tại sân bay. Thuật ngữ X-quang chỉ các hình ảnh tạo ra bởi tia X. Vì bước sóng của tia X cứng tương đương kích thước nguyên tử, nó rất hữu ích trong tinh thể học. Ngược lại, tia X mềm dễ bị hấp thụ trong không khí với độ dài suy giảm khoảng 600 eV (~2 nm) và không qua được môi trường nước nếu nhỏ hơn 1 micromet.

Tia Gamma

Chưa có sự đồng thuận về sự phân biệt chính xác giữa tia X và tia gamma. Thông thường, sự phân biệt dựa vào nguồn phát ra: tia X xuất phát từ electron, trong khi tia gamma phát ra từ hạt nhân nguyên tử. Định nghĩa này có thể gặp khó khăn vì các quá trình khác cũng có thể tạo ra photon năng lượng cao, hoặc nguồn gốc không rõ ràng. Một cách phân biệt khác là dựa trên bước sóng, với bức xạ có bước sóng ngắn hơn, như 10 m (0,1 Å), được coi là tia gamma. Phương pháp này chỉ có thể áp dụng nếu biết được bước sóng. Tuy nhiên, các định nghĩa này thường bị trùng lặp vì tia X thường có bước sóng và năng lượng photon thấp hơn so với bức xạ từ hạt nhân phóng xạ.

Tính chất

Khi photon tia X có đủ năng lượng, chúng có thể ion hóa nguyên tử và phá vỡ các liên kết phân tử, tạo ra bức xạ ion hoá có thể gây hại cho mô sống. Liều bức xạ cao trong thời gian ngắn có thể gây bệnh nhiễm xạ, trong khi liều thấp hơn có thể làm tăng nguy cơ ung thư từ xạ trị. Mặc dù chụp X-quang trong y tế có nguy cơ làm tăng ung thư, nó vẫn mang lại lợi ích lớn trong việc kiểm tra sức khoẻ. Tính chất ion hoá của tia X cũng được sử dụng trong điều trị ung thư để tiêu diệt tế bào ung thư qua xạ trị và trong phân tích vật liệu bằng quang phổ tia X.

Tia X có bước sóng ngắn hơn nhiều so với ánh sáng nhìn thấy, cho phép chúng ta quan sát các cấu trúc nhỏ hơn nhiều so với những gì kính hiển vi thông thường có thể thấy. Điều này giúp kính hiển vi X-quang cung cấp hình ảnh độ phân giải cao và xác định chính xác vị trí các nguyên tử trong tinh thể.

Tia X có thể xuyên qua các vật thể dày mà không bị hấp thụ hay phân tán nhiều. Chính vì vậy, chúng được sử dụng rộng rãi để chụp hình ảnh bên trong các vật thể bị bao bọc. Các ứng dụng phổ biến bao gồm chụp X-quang y tế và kiểm tra an ninh tại sân bay, bên cạnh đó còn quan trọng trong công nghiệp (như chụp X-quang công nghiệp và CT công nghiệp) và nghiên cứu (như CT động vật nhỏ). Độ sâu thâm nhập của tia X có thể được điều chỉnh theo nhiều mức độ khác nhau, giúp điều chỉnh năng lượng photon để truyền tải đầy đủ qua đối tượng và duy trì độ tương phản tốt trong hình ảnh.

Khả năng nhìn thấy của mắt người

Mặc dù mắt người không thể nhìn thấy tia X, nhưng ngay sau khi Röntgen phát hiện ra chúng vào năm 1895, đã có báo cáo về sự nhìn thấy ánh sáng màu xanh lục-xám yếu trong phòng tối. Do tính chất nguy hiểm của tia X, không có nghiên cứu tiếp theo để xác định cơ chế chính xác. Giả thuyết hiện tại cho rằng tia X có thể kích thích trực tiếp võng mạc hoặc kích thích huỳnh quang, khiến mắt người cảm nhận ánh sáng thứ cấp.

Câu chuyện về phát hiện tia X

Vào tối ngày 8 tháng 11 năm 1895, khi Wilhelm Röntgen đang kiểm tra khả năng tia cathode (tia âm cực) xuyên qua kính, ông bất ngờ phát hiện ra một ánh sáng phát ra từ một tấm phủ hóa chất gần đó. Ông đặt tên cho những tia này là tia X do chưa rõ bản chất của chúng.

Với sự nhạy bén và kinh nghiệm phong phú của một nhà vật lý, Röntgen bị cuốn hút và dành 49 ngày liên tục ở lại phòng thí nghiệm, chỉ tạm dừng để ăn uống, vệ sinh và nghỉ ngơi. Nhờ vậy, ông khám phá được tính chất của tia bí ẩn mà ông gọi là tia X, và đạt giải Nobel Vật lý đầu tiên vào năm 1901.

Nguồn phát tia X

Đèn tia X

Khám phá của Wilhelm Röntgen dẫn đến việc chế tạo đèn tia X (hay còn gọi là đèn Röntgen, ống tia X). Đây là thiết bị tạo ra tia X nhân tạo, vẫn được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng liên quan đến tia X. Đèn Röntgen hoạt động dựa trên nguyên lý trong một ống chân không, các điện tử được gia tốc mạnh mẽ và khi va chạm vào anode, chúng bị hãm lại đột ngột, tạo ra ánh sáng năng lượng cao. Thuật ngữ 'bức xạ hãm' hay 'Bremsstrahlung' trong tiếng Đức, đã được dùng trong tài liệu tiếng Anh để chỉ hiện tượng này.

Trong tự nhiên

Trong tự nhiên, sự phân rã phóng xạ của các đồng vị trong đất đá và sự xâm nhập của tia vũ trụ dẫn đến sự hiện diện của các hạt tích điện năng lượng cao cùng tia gamma trong sinh quyển. Những hạt này tương tác với vật chất và tạo ra tia X qua hai cơ chế chính.

• Bức xạ hãm từ các hạt tích điện phát ra photon có năng lượng từ tia gamma đến tia X.
• Các photon tia gamma và tia X năng lượng cao tán xạ qua hiệu ứng Compton, tạo ra tia X thứ cấp.

Các vụ sét đánh sinh ra vùng plasma nhiệt độ cao cũng phát ra tia X, nhưng liều lượng phát ra là rất nhỏ.

Trong thực tế hàng ngày, chúng ta không cần quá lo lắng về tia X. Tuy nhiên, trong nghiên cứu di truyền sinh học tiến hóa, tia X tự nhiên được xem là một yếu tố góp phần vào sự xuất hiện của các biến thể trong DNA.

Trong vũ trụ

Các thiên thể có nhiệt độ cực cao phát ra tia X theo lý thuyết bức xạ của vật đen hoàn hảo, điều này giúp xác định nhiệt độ của những ngôi sao này.

Ứng dụng trong Y tế

Kể từ khi Wilhelm Conrad Röntgen phát hiện ra tia X có khả năng chẩn đoán cấu trúc xương, công nghệ tia X đã được phát triển để phục vụ chẩn đoán hình ảnh y tế.

Vào năm 1897, tia X lần đầu tiên được triển khai trên chiến trường trong cuộc Chiến tranh Balkan để phát hiện mảnh đạn và vị trí xương gãy trong cơ thể bệnh nhân.

Khoa X quang là một lĩnh vực chuyên sâu trong y tế, sử dụng hình ảnh từ tia X và các phương pháp khác để chẩn đoán bệnh, còn được gọi là Khoa chẩn đoán hình ảnh.

Tia X rất hữu ích trong việc xác định các vấn đề về xương, nhưng cũng hỗ trợ phát hiện bệnh lý về phần mềm. Ưu điểm của phương pháp này là chẩn đoán và điều trị nhiều bệnh tật nhanh chóng mà không gây đau đớn cho bệnh nhân (như các bệnh về máu, ung thư, v.v.). Ví dụ như khảo sát ngực có thể giúp chẩn đoán các bệnh về phổi như viêm phổi, ung thư phổi, hay phù nề phổi; khảo sát bụng có thể phát hiện tắc ruột, tràn khí, hoặc tràn dịch. Tuy nhiên, một số ứng dụng X quang còn gây tranh cãi, chẳng hạn như với sỏi mật hay sỏi thận. Hơn nữa, X quang truyền thống ít được sử dụng để chẩn đoán phần mềm như não hay cơ, thay vào đó sử dụng các kỹ thuật như chụp Cắt lớp vi tính (CT) hoặc chụp cộng hưởng từ (MRI) hay siêu âm.

Tia X cũng được ứng dụng trong kỹ thuật soi trực tiếp 'thời gian thực', như khám thành mạch máu hoặc nghiên cứu độ cản quang của các tạng rỗng nội tạng (chất lỏng cản quang trong các quai ruột lớn hay nhỏ) qua máy chiếu huỳnh quang. Các hình ảnh giải phẫu mạch máu và các can thiệp y tế qua hệ thống động mạch đều dựa vào máy soi X quang để xác định các tổn thương tiềm ẩn và điều trị chúng.

Xạ trị bằng tia X là một phương pháp y tế chuyên biệt, hiện đang được áp dụng để điều trị các tế bào ung thư nông (khối u không nằm sâu trong cơ thể) bằng cách sử dụng tia X với năng lượng mạnh.

Kiểm tra an ninh tại các cửa khẩu

Việc chiếu X quang được thực hiện để kiểm tra các vật dụng bên trong hành lý gói kín hoặc trên cơ thể người, tại các cửa khẩu có yêu cầu an ninh cao như tại cổng máy bay, biên giới quốc gia, và một số nhà giam đặc biệt.

Các hệ thống quét an ninh thường kết hợp giữa chiếu X quang và dò kim loại để cung cấp thông tin chính xác hơn về đối tượng được kiểm tra.

Phân tích hóa học bằng tia X

Phổ tán sắc năng lượng tia X, hay còn gọi là EDX hoặc EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy), là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật liệu rắn thông qua việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật liệu khi tương tác với bức xạ, chủ yếu là chùm điện tử năng lượng cao trong kính hiển vi điện tử. Dưới đây là ba biến thể phổ biến của kỹ thuật này.

• Phổ điện tử Auger (AES, Auger Electron Spectroscopy): Thay vì phát ra tia X đặc trưng, khi các điện tử năng lượng cao tương tác với lớp điện tử sâu trong nguyên tử, sẽ làm bật ra các điện tử lớp ngoài tạo ra phổ AES.
• Phổ huỳnh quang tia X (XPS, X-ray Photoelectron Spectroscopy): Tương tác giữa điện tử và chất rắn tạo ra phổ huỳnh quang tia X, cung cấp thêm thông tin về năng lượng liên kết.
• Phổ tán sắc bước sóng tia X (WDS, X-ray Wavelength-Dispersive Spectroscopy): Tương tự như phổ EDX nhưng có độ phân giải cao hơn, cung cấp thông tin về các nguyên tố nhẹ và loại nhiễu tốt hơn EDS, tuy nhiên chỉ phân tích được một nguyên tố tại một thời điểm.

Thiên văn học tia X

Thiên văn học tia X nghiên cứu các vật thể vũ trụ phát ra tia X. Phương pháp này giúp xác định các đối tượng phát xạ nhiệt có nhiệt độ trên 10 độ Kelvin, bao gồm các sao hoặc vùng khí dày, còn gọi là phát xạ vật đen tuyệt đối.

Do tia X bị khí quyển Trái Đất hấp thụ mạnh, quan sát chúng cần thực hiện ở độ cao lớn như trên khí cầu, tên lửa, hoặc trong không gian từ tàu vũ trụ.