Tia X

Hình ảnh chụp X quang tay đeo nhẫn của nhà giải phẫu, nhà sinh lý học, nhà mô học người Thụy Sĩ Albert von Kölliker, chụp bởi Röntgen

X-quang của phổi người

Bức xạ X (còn gọi là tia X hay X-ray hay tia Röntgen) là một dạng của sóng điện từ. hầu hết tia X có dải bước sóng trong khoảng từ 0,01 đến 10 nano mét tương ứng với dãy tần số từ 30 Petahertz đến 30 Exahertz (3×10¹⁶ Hz to 3×10¹⁹ Hz) và có năng lượng từ 120 eV đến 120 keV. Trong nhiều ngôn ngữ, bức xạ X được gọi là bức xạ Röntgen,^[1] được đặt tên theo nhà khoa học người Đức gốc Hà Lan Wilhelm Röntgen, ngay sau khi ông khám phá ra một loại bức xạ mà chưa ai biết đến.^[2]

Các dải năng lượng

Bảng phân chia các dải bức xạ sóng điện từ/ánh sáng^[3]

Tên	Bước sóng	Tần số (Hz)	Năng lượng photon (eV)
Tia gamma	≤ 0,01 nm	≥ 30 EHz	124 keV - 300+ GeV
Tia X	0,01 nm - 10 nm	30 EHz - 30 PHz	124 eV - 124 keV
Tia tử ngoại	10 nm - 380 nm	30 PHz - 790 THz	3.3 eV - 124 eV
Ánh sáng nhìn thấy	380 nm-700 nm	790 THz - 430 THz	1.7 eV - 3.3 eV
Tia hồng ngoại	700 nm - 1 mm	430 THz - 300 GHz	1.24 meV - 1.7 eV
Vi ba	1 mm - 1 met	300 GHz - 300 MHz	1.7 eV - 1.24 meV
Radio	1 mm - 100000 km	300 GHz - 3 Hz	12.4 feV - 1.24 meV

Wilhelm Conrad Röntgen, người khám phá ra tia X

Ứng dụng của tia X cứng và tia X mềm

Tia X cứng và tia X mềm

Các tia X có năng lượng photon cao (trên 5-10 keV, bước sóng dưới 0,2-0,1 nm) được gọi là tia X cứng, những tia X có năng lượng thấp được gọi là tia X mềm.^[4] Do có khả năng đâm xuyên, các tia X cứng được sử dụng rộng rãi để nhìn thấy hình ảnh bên trong các vật thể, thường được dùng để chụp X quang trong y tế và kiểm tra hành lý tại an ninh sân bay. Thuật ngữ X-quang được sử dụng để chỉ một hình ảnh được tạo bởi tia X. Vì các bước sóng của tia X cứng tương đương với kích thước của các nguyên tử, nó rất hữu ích để xác định các cấu trúc tinh thể bằng tinh thể học tia X. Ngược lại, tia X mềm bị hấp thụ dễ dàng trong không khí; độ dài suy giảm khoảng 600 eV (~ 2 nm). Các tia X trong môi trường nước nhỏ hơn 1 micromet.^[5]

Tia gamma

Không có sự đồng thuận về một định nghĩa phân biệt giữa tia X và tia gamma. Một thực tế phổ biến là để phân biệt giữa hai loại bức xạ dựa trên nguồn của chúng: tia X phát ra bởi các electron, trong khi các tia gamma được phát ra bởi hạt nhân nguyên tử.^[6][7][8][9] Định nghĩa này gặp một số vấn đề: các quá trình khác cũng có thể tạo ra các photon năng lượng cao, hoặc đôi khi phương pháp tạo ra không được biết. Một giải pháp thay thế phổ biến khác là phân biệt X và gamma trên cơ sở bước sóng (tần số hoặc năng lượng photon),Với bức xạ ngắn hơn một số bước sóng tùy ý, chẳng hạn như 10⁻¹¹ m (0,1 Å), thì là bức xạ gamma.^[10] Phương pháp này chỉ định một photon cho một thể loại đã rõ, nhưng chỉ có thể xác định được nếu biết được bước sóng. Tuy nhiên, hai định nghĩa này thường trùng với nhau vì bức xạ điện từ phát ra bởi các tia X thường có bước sóng và năng lượng photon thấp hơn phóng xạ phát ra từ hạt nhân phóng xạ.^[6]

Tính chất

Biểu tượng nguy cơ bức xạ ion hoá

Các photon tia X khi mang đủ năng lượng có thể ion hóa nguyên tử và phá vỡ liên kết phân tử. Điều này làm cho nó trở thành một loại bức xạ ion hoá, do đó gây hại cho mô sống cơ thể. Liều bức xạ cao trong một khoảng thời gian ngắn gây ra bệnh nhiễm xạ, trong khi liều thấp hơn có thể làm tăng nguy cơ ung thư do xạ trị. Chụp X-quang trong y tế có nguy cơ làm tăng bị ung thư mặc dù nó có nhiều lợi ích của việc kiểm tra. Khả năng ion hoá của tia X có thể được sử dụng trong điều trị ung thư để diệt tế bào ác tính bằng cách sử dụng phương pháp xạ trị. Nó cũng được sử dụng để xác định đặc tính vật liệu bằng cách sử dụng quang phổ tia X.

Tia X có bước sóng ngắn hơn nhiều so với ánh sáng nhìn thấy, nó có thể được cấu trúc nhỏ hơn nhiều so với những gì có thể nhìn thấy bằng kính hiển vi bình thường. Điều này có thể được sử dụng trong kính hiển vi X-quang để có được hình ảnh có độ phân giải cao và xác định vị trí các nguyên tử trong tinh thể.

Các tia X cực mạnh có thể đi qua các vật thể dày mà không bị hấp thu hoặc phân tán nhiều. Vì lý do này, tia X được sử dụng rộng rãi để thu hình ảnh bên trong các đối tượng bọc kín. Các ứng dụng thường thấy nhất là trong chụp X quang y tế và máy quét an ninh sân bay, nhưng các kỹ thuật tương tự cũng quan trọng trong công nghiệp (ví dụ chụp X quang công nghiệp và CT công nghiệp) và nghiên cứu (ví dụ CT động vật nhỏ). Độ sâu thâm nhập thay đổi theo một vài bậc độ lớn so với phổ tia X. Điều này cho phép điều chỉnh năng lượng photon cho ứng dụng để truyền tải đầy đủ thông qua đối tượng và đồng thời có độ tương phản tốt trong hình ảnh.

Khả năng nhìn thấy ở mắt người

Quan điểm thông thường coi mắt người không nhìn thấy tia X. Tuy nhiên ngay sau phát hiện của Röntgen vào năm 1895 đã có thông báo nhìn thấy ánh sáng màu xanh lục-xám yếu khi trong phòng tối. Song vì sự nguy hiểm của tia X nên không có nghiên cứu tiếp theo để xác định cơ chế thật sự. Giả thiết đưa ra là tia X kích thích trực tiếp võng mạc và/hoặc kích thích huỳnh quang và mắt người cảm nhận ánh sáng thường thứ cấp ^[11].

Câu chuyện phát hiện ra tia X

Tối ngày 8 tháng 11 năm 1895, Wilhelm Röntgen đang kiểm tra xem liệu tia cathode (tia âm cực) có thể đi xuyên qua kính hay không thì bất ngờ nhận thấy một ánh sáng phát ra từ một tấm được phủ hóa chất gần đó. Ông gọi những tia tạo ra ánh sáng này là tia X, vì bản chất chưa rõ của chúng.^[12]

Với đầu óc nhạy bén, đầy kinh nghiệm của một nhà vật lý học, việc này đã lôi cuốn ông và 49 ngày sau ông liên tục ở lỳ trong phòng thí nghiệm, mỗi ngày ông chỉ ngừng công việc nghiên cứu ít phút để ăn uống, vệ sinh và chợp mắt nghỉ ngơi vài giờ. Nhờ thế, ông đã tìm ra tính chất của thứ tia bí mật mà ông tạm đặt tên là tia X và mang lại cho ông giải Nobel về vật lý đầu tiên vào năm 1901.

Sơ đồ nguyên lý hoạt động đèn Röntgen

Nguồn phát tia X

Đèn tia X

Bài chi tiết: Đèn phát tia X

Phát hiện của Wilhelm Röntgen dẫn đến việc chế tạo ra đèn phát tia X (hay đèn Röntgen, X-ray tube)^[13]. Đó là nguồn phát tia X nhân tạo, thứ dụng cụ hiện vẫn đang sử dụng phổ biến trong các ứng dụng tia X. Nguyên lý hoạt động của đèn Röntgen là trong một ống chân không các điện tử được gia tốc tới tốc độ cao, khi đập vào anode sẽ bị hãm đột ngột, và phát xạ ánh sáng năng lượng cao. "Bức xạ khi bị hãm" hay bức xạ hãm theo tiếng Đức là "Bremsstrahlung", trở thành thuật ngữ được sử dụng trong văn liệu tiếng Anh.

Trong thiên nhiên

Trong thiên nhiên thì sự phân rã phóng xạ của các đồng vị phóng xạ trong đất đá, sự xâm nhập của tia vũ trụ,... dẫn đến sự có mặt các hạt tích điện năng lượng cao và tia gamma trong sinh quyển. Tương tác của chúng với vật chất ở đây làm phát sinh tia X theo hai cơ chế chính.

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

Các vụ sét đánh tạo ra vùng plasma nhiệt độ cao cũng phát ra tia X, nhưng liều lượng không đáng kể.

Trong thực tế đời sống không phải quan tâm đến phông tia X. Chỉ trong nghiên cứu sinh học di truyền tiến hóa, tia X tự nhiên được coi là đóng góp vào việc tạo ra các biến dị trong DNA.

Trong vũ trụ

Các thiên thể có nhiệt độ cực cao bức xạ tia X theo lý thuyết bức xạ của vật đen tuyệt đối, và là cơ sở để xác định nhiệt độ vì sao đó.

Sử dụng trong Y tế

Ảnh chụp tia X hộp sọ người

Từ khi Wilhelm Conrad Röntgen phát hiện ra tia X có thể chẩn đoán cấu trúc xương, tia X được phát triển để sử dụng cho chụp hình y tế.

Năm 1897, tia X lần đầu tiên được sử dụng trên chiến trường quân sự, trong Chiến tranh Balkan, để tìm các mảnh đạn và vị trí xương gãy bên trong cơ thể bệnh nhân.^[12]

Khoa X quang là một lĩnh vực chuyên biệt trong y tế sử dụng ảnh tia X và các kĩ thuật khác để chẩn đoán bệnh bằng hình ảnh nên còn được gọi là Khoa chẩn đoán hình ảnh.

Việc sử dụng tia X đặc biệt hữu dụng trong việc xác định bệnh lý về xương, nhưng cũng có thể giúp ích tìm ra các bệnh về phần mềm. Ưu điểm của ứng dụng này là chẩn đoán và điều trị nhiều bệnh tật một cách nhanh chóng mà không làm bệnh nhân đau đớn (ví dụ như các bệnh về đường máu, bệnh ung thư,...)^[14]. Một vài ví dụ như khảo sát ngực, có thể dùng để chẩn đoán bệnh về phổi như là viêm phổi, ung thư phổi hay phù nề phổi, và khảo sát vùng bụng,có thể phát hiện ra tắc ruột (tắc thực quản), tràn khí (từ thủng ruột), tràn dịch (trong khoang bụng). Trong vài trường hợp, sử dụng X quang còn gây tranh cãi, như là sỏi mật (ít khi cản quang) hay sỏi thận (thường thấy nhưng không phải luôn luôn). Hơn nữa, các tư thế chụp X quang truyền thống ít sử dụng trong việc tạo hình các phần mềm như não hay cơ. Việc tạo hình cho phần mềm được thay thế bằng kĩ thuật chụp Cắt lớp vi tính (Tiếng Anh: computed axial tomography, CAT hay CT scanning) hoặc tạo hình bằng chụp cộng hưởng từ (MRI) hay siêu âm.

Tia X còn được sử dụng trong kỹ thuật soi trực tiếp "thời gian thực", như thăm khám thành mạch máu hay nghiên cứu độ cản quang của các tạng rỗng nội tạng (chất lỏng cản quang trong các quai ruột lớn hay nhỏ) bằng cách sử dụng máy chiếu huỳnh quang. Hình ảnh giải phẫu mạch máu cũng như các can thiệp y tế qua hệ thống động mạch đều dựa vào các máy soi X quang để định vị các thương tổn tiềm tàng và có thể chữa trị.

Xạ trị tia X, là một can thiệp y tế, hiện nay dùng chuyên biệt cho các tế bào ung thư nông (là những khối u không nằm quá sâu trong cơ thể), dùng các tia X có năng lượng mạnh.

Phục vụ kiểm tra an ninh tại cửa khẩu

Chiếu X quang để thu được hình ảnh các đồ vật bên trong hành lý gói kín hay trong quần áo trên thân người, được thực hiện tại các cửa khẩu có yêu cầu an ninh cao, như cửa lên máy bay, cửa khẩu sang nước khác, và một số nhà giam đặc biệt.

Hệ thống quét an ninh thường tích hợp chiếu X quang với quét dò kim loại, để thu được thông tin tin cậy hơn về đối tượng được quét.

Hóa phân tích dùng tia X

Bài chi tiết: Phổ tán sắc năng lượng tia X

Phổ tán sắc năng lượng tia X viết tắt là EDX hay EDS (tiếng Anh: Energy-dispersive X-ray spectroscopy), là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ mà chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử. Có ba biến thể đo như dưới đây^[15].

• Phổ điện tử Auger (AES, Auger Electron Spectroscopy): thay vì phát ra các tia X đặc trưng, khi các điện tử có năng lượng lớn tương tác với lớp điện tử sâu bên trong nguyên tử sẽ khiến một số điện tử lớp phía ngoài bị bật ra tạo ra phổ AES.
• Phổ huỳnh quang tia X (XPS, X-ray Photoelectron Spectroscopy): tương tác giữa điện tử và chất rắn gây phát ra phổ huỳnh quang của tia X, có thêm các 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 tinh cao hơn, có thêm thông tin về các nguyên tố nhẹ, nhưng lại có khả năng loại nhiễu tốt hơn EDS và chỉ phân tích được một nguyên tố cho một lần ghi phổ.

Thiên hà Andromeda quan sát bằng tia cực tím và vùng quan sát bằng tia X năng lượng cao, NASA, xuất ngày 5/01/2016.

Thiên văn học tia X

Bài chi tiết: Thiên văn học tia X

Thiên văn học tia X nghiên cứu các vật thể vũ trụ ở các bước sóng tia X. Nó xác định ra các đối tượng phát xạ nhiệt có nhiệt đô trên 10⁷ độ Kelvin, là các sao hay vùng khí dày (được gọi là phát xạ vật đen tuyệt đối).

Vì tia X bị khí quyển Trái Đất hấp thụ mạnh, việc quan sát phải được thực hiện trên khí cầu ở độ cao lớn, các tên lửa, hay trên tàu vũ trụ^[16].

Tham khảo

1. “X-Rays”. NASA. Bản gốc lưu trữ ngày 22 tháng 11 năm 2012. Truy cập ngày 7 tháng 11 năm 2012.
2. Novelline, Robert (1997). Squire's Fundamentals of Radiology. Harvard University Press. 5th edition. ISBN 0-674-83339-2.
3. Haynes, William M. biên tập (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (ấn bản thứ 92). CRC Press. tr. 10.233. ISBN 1-4398-5511-0.
4. Attwood, David (1999). Soft X-rays and extreme ultraviolet radiation. Cambridge University. tr. 2. ISBN 978-0-521-65214-8. Bản gốc lưu trữ ngày 12 tháng 4 năm 2011. Truy cập ngày 3 tháng 6 năm 2017.
5. “Physics.nist.gov”. Physics.nist.gov. Truy cập ngày 8 tháng 11 năm 2011.
6. ^ Denny, P. P.; Heaton, B. (1999). Physics for Diagnostic Radiology. USA: CRC Press. tr. 12. ISBN 0-7503-0591-6.
7. Feynman, Richard; Leighton, Robert; Sands, Matthew (1963). The Feynman Lectures on Physics, Vol.1. USA: Addison-Wesley. tr. 2–5. ISBN 0-201-02116-1.
8. L'Annunziata, Michael; Abrade, Mohammad (2003). Handbook of Radioactivity Analysis. Academic Press. tr. 58. ISBN 0-12-436603-1.
9. Grupen, Claus; Cowan, G.; Eidelman, S. D.; Stroh, T. (2005). Astroparticle Physics. Springer. tr. 109. ISBN 3-540-25312-2.
10. Hodgman, Charles biên tập (1961). CRC Handbook of Chemistry and Physics, 44th Ed. USA: Chemical Rubber Co. tr. 2850.
11. Schober H. Die Direktwahrnehmung von Röntgenstrahlen durch den menschlichen Gesichtssinn. In: Vision Research. 4, Nr. 3–4, S. 251–269.
12. ^ “History.com”.
13. Julius Edgar Lilienfeld. Die sichtbare Strahlung des Brennecks von Röntgenröhren. In: Physikalische Zeitschrift. 20, Nr. 12, 1919, p. 280
14. Nguyễn, Thành Luân. “Tia X (Tia RƠN-GHEN) - Cuộc Cách mạng trong lĩnh vực Vật lý học”.
15. Ứng dụng huỳnh quang tia X trong khoa học và kỹ thuật. luanvan.net, 2014. Truy cập 12/01/2016.
16. Cox A. N., editor (2000). Allen's Astrophysical Quantities. New York: Springer-Verlag. ISBN 0-387-98746-0.

Liên kết ngoài

• X-ray (radiation beam) tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)
• Historical X-ray tubes
• Röntgen's 1895 article, on line and analyzed on BibNum Lưu trữ 2016-05-09 tại Wayback Machine [click 'à télécharger' for English analysis]
• Example Radiograph: Fractured Humerus
• A Photograph of an X-ray Machine
• X-ray Safety Lưu trữ 2018-06-07 tại Wayback Machine