Tia X là gì và làm sao để phát hiện nó?

Khi điều tra và chụp CT tại bệnh viện, người ta thường sử dụng phương pháp chiếu tia X, còn được gọi là chụp X-quang. Tia X là một loại ánh sáng đặc biệt, khác biệt với ánh sáng thông thường, có khả năng xuyên qua các vật liệu mà mắt thường không nhìn thấy được.

Ánh sáng chính là sự truyền năng lượng, và cơ bản nó bao gồm các photon trong một dải tần số nhất định. Nguồn sáng phát ra ánh sáng khi các electron trong đó nhận thêm năng lượng, giải phóng năng lượng dưới dạng sóng trong quá trình chuyển đổi.

Do đó, ánh sáng thực chất là sóng điện từ, và nó được phân loại dựa trên năng lượng của các photon. Trong quá trình tiến hóa, mắt con người chỉ nhạy cảm với một dải tần số nhất định, từ 380 đến 780nm, nên chỉ có ánh sáng ở dải tần này được nhìn thấy.

Bên cạnh ánh sáng nhìn thấy được, còn tồn tại nhiều loại ánh sáng không thể nhìn thấy, bao gồm sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia X và tia gamma.

Những loại ánh sáng không nhìn thấy thường có năng lượng rất cao hoặc rất thấp, trong khi ánh sáng nhìn thấy nằm ở giữa. Ánh sáng với năng lượng thấp hơn bao gồm sóng vô tuyến và tia hồng ngoại; ánh sáng có năng lượng cao hơn bao gồm tia cực tím, tia X và tia gamma.

Tia X là loại sóng điện từ chỉ sau tia gamma, có bước sóng từ 10 nanomet đến 0,01 nanomet, tần số từ 3 ^ 16 đến 3 ^ 20 Hz và năng lượng từ 124eV đến 1,24MeV. Đây là năng lượng của mỗi photon, thuộc tia năng lượng cao nên sức xuyên qua vật liệu rất mạnh. Khi tia X chiếu vào cơ thể con người, một phần sẽ được hấp thụ, trong khi phần lớn sẽ đi qua các khe hở giữa các nguyên tử.

Tần số càng cao và bước sóng càng ngắn, thì năng lượng của tia X càng lớn, và khả năng xuyên qua càng mạnh. Khi đi qua các vật thể, tùy thuộc vào mật độ và độ dày của vật thể, tia X sẽ được hấp thụ khác nhau, và thông tin về cấu trúc của vật thể có thể được hiển thị trên phim cảm quang.

Tia X được phát hiện vào năm 1895.

Để nói về quá trình khám phá tia X, không thể không nhắc đến nhà khoa học vĩ đại William Conrad Roentgen. Ông Roentgen sinh năm 1845 trong một gia đình giàu có tại Rheinp, Đức, và đã được giáo dục kỹ lưỡng từ nhỏ, từng theo học với nhà khoa học nổi tiếng Clausius về nhiệt động học, và sau đó trở thành giáo sư tại Đại học Wurzburg vào năm 1868.

Sau đó, Roentgen tiếp tục nghiên cứu tại nhiều trường đại học khác nhau về vật lý, trước khi trở lại Đại học Würzburg vào năm 1888. Không lâu sau đó, ông đã trở thành giám đốc Viện Vật lý. Năm 1894, ông được bầu làm hiệu trưởng của trường.

Ở châu Âu vào cuối thế kỷ 19, là thời kỳ của sự hỗn loạn khoa học, nhiều nhà khoa học tại châu Âu đang tập trung nghiên cứu về hiện tượng phát xạ của ống chân không và tia âm cực. Roentgen cũng bị thu hút bởi nghiên cứu này. Thí nghiệm của ông, so với nhiều nhà khoa học khác, được tiến hành một cách cẩn thận hơn, ông đã bôi đen toàn bộ phòng thí nghiệm và đặt một tấm vật liệu màu đen chặt chẽ để ngăn ánh sáng từ bên ngoài xâm nhập vào ống phóng điện.

Tuy nhiên, khi áp dụng điện áp cao để kiểm tra tia âm cực, Roentgen bất ngờ phát hiện ra một tia sáng nhỏ dài khoảng 1 mét phát ra từ ống phóng điện, và tia sáng này biến mất khi nguồn điện được cắt. Roentgen rất ngạc nhiên với phát hiện này, và ông biết rằng đó không phải là tia âm cực, vì Roentgen và nhiều nhà khoa học khác đã chứng minh rằng tia âm cực chỉ di chuyển được vài centimet trong không khí. Sau đó, ông tiếp tục thí nghiệm và di chuyển màn hình huỳnh quang phủ bari cyanua platinat ra xa, đến khi nó cách xa 2m vẫn có thể phát ra ánh sáng.

Khi đó, Roentgen nghĩ rằng có thể đã phát hiện ra một loại tia mới, nhưng sau đó lại nghi ngờ rằng có thể đó chỉ là một hiện tượng ảo do mắt đã quen với bóng tối quá lâu. Vì vậy, để xác minh sự tồn tại của tia này, ông đã tự đóng cửa phòng thí nghiệm và nghiên cứu một cách bí mật trong vài tuần.

Roentgen sắp xếp một chiếc giường nhỏ bên trong phòng thí nghiệm để thuận tiện cho việc nghỉ ngơi và yêu cầu nhận thức cho ông hàng ngày. Bằng cách này, ông có thể duy trì tính liên tục của thí nghiệm. Để loại bỏ những ảo giác về thị giác, ông đã ghi lại những ánh sáng kỳ lạ này bằng một tấm cảm quang. Sau đó, ông sử dụng giấy, sách và bảng gỗ để tách các tấm cảm quang, những tia sáng này xuyên qua chúng một cách dễ dàng, như thể tất cả các vật thể đều trở nên trong suốt đối với chúng.

Sau bảy tuần, ông đã chắc chắn về sự tồn tại của loại ánh sáng mới này. Vào tối ngày 22 tháng 12 năm 1895, ông thuyết phục vợ mình làm đối tượng thử nghiệm. Khi vợ ông đưa một chiếc nhẫn ra trước màn hình, một hiện tượng kỳ quái đã xuất hiện: bà nhìn thấy những xương và khớp trên bàn tay của mình thông qua màn hình.

Ban đầu, vợ ông không tin vào mắt mình, cho đến khi xác nhận lại sự tồn tại của chiếc nhẫn trên ngón áp út, bà mới tin rằng đây là hình ảnh bàn tay của mình. Và đó cũng là bức ảnh chụp X-quang cơ thể người đầu tiên! Lúc này Roentgen mới xác nhận rằng đây là loại ánh sáng chưa từng có, có thể xuyên qua da thịt.

Khám phá của Roentgen đã gây chấn động thế giới.

Vào ngày 28 tháng 12 năm 1895, Roentgen viết một bài báo có tiêu đề 'Một tia sáng mới, báo cáo sơ bộ' và gửi nó tới Viện Vật lý và Y học Würzburg. Ông đặt tên cho loại ánh sáng này là 'tia X'.

Ngày 23 tháng 1 năm 1896, ông công bố phát hiện của mình trong một bài giảng duy nhất tại viện của mình. Trong cuộc họp báo cáo, Roentgen đề xuất Crickell, một nhà giải phẫu học nổi tiếng tại Đại học Würzburg, đưa tay ra để anh ta chụp X-quang ngay tại chỗ. Khi bức ảnh xuất hiện, mọi người không khỏi kinh ngạc và vỗ tay tán thưởng.

Crickell ngay lập tức đề xuất đặt tên cho tia này là 'tia Roentgen'. Sau này, đơn vị liều lượng của tia X và tia γ được gọi là 'roentgen'. Từ đó, khám phá của Roentgen đã lan rộng khắp thế giới, gây ra một sự chấn động lớn mà thế giới chưa từng có trước đây.

Các viện nghiên cứu đua nhau sao chép thiết bị thí nghiệm của Roentgen và tái hiện các thí nghiệm của ông. Tia X đã lan tỏa khắp thế giới và trở thành hiện tượng thời trang.

Một số người đã sử dụng tia X để chụp ảnh, thậm chí cửa hàng giày cũng sử dụng phương pháp này để quảng cáo và thử giày bằng tia X. Lúc đó, con người hoàn toàn không nhận ra nguy hiểm của tia X và xem đó là điều kỳ diệu mà thượng đế ban tặng cho loài người.

Sự phát triển đầu tiên của ứng dụng tia X là trong lĩnh vực y học, đó là công nghệ soi huỳnh quang. Nhờ tia X, mọi người có thể nhìn thấy các tổn thương bên trong cơ thể, giúp phẫu thuật viên hiểu rõ hơn về cấu trúc và giảm đau cho bệnh nhân. Vào thời điểm đó, bác sĩ phẫu thuật nổi tiếng người Anh Thomas Henry mô tả X-quang là 'một trong những cột mốc vĩ đại nhất trong lịch sử chẩn đoán'.

Nhờ cái nhìn sâu sắc và thái độ khoa học, Roentgen đã phát hiện ra tia X, từ đó, cuộc cách mạng trong y học đã diễn ra. Vì đóng góp to lớn của mình, vào năm 1901, Roentgen đã giành giải Nobel Vật lý đầu tiên trong lịch sử khoa học.

Tuy nhiên, suốt đời, Roentgen không bao giờ đòi bằng sáng chế cho phát minh của mình và từ chối các phần thưởng danh giá. Ông tiếp tục làm việc một cách khiêm tốn và nghiêm túc, không ngừng nâng cao kiến thức của mình, dù đã đạt được nhiều thành tựu và giành được hơn 150 giải thưởng trong đời. Tuy nhiên, tất cả những thành tựu đó đều trở nên nhạt nhòa trước ánh sáng của khám phá về tia X.

Ngày 10 tháng 2 năm 1923, Roentgen qua đời tại Munich, nhưng tinh thần và sự ảnh hưởng của ông vẫn sống mãi.