Tia X là gì? Ứng dụng của tia X trong đời sống

Chu Văn An

Tia X có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như dùng trong máy phân tích, kiểm tra an ninh, trong y học… Việc sử dụng tia X trong chụp ảnh X quang đã mang lại những tiến bộ mới cho y học hiện đại. . Vậy hãy cùng vietchem tìm hiểu những thông tin thú vị về tia X là gì và những ứng dụng của chúng trong cuộc sống qua bài viết dưới đây.

1. Tia X là gì?

Tia X về cơ bản là một dạng sóng điện từ, phát ra khi chùm electron chiếu vào vật thể rắn. Tia X còn được gọi là tia Rontgen, được đặt theo tên của nhà khoa học đã phát hiện ra chúng.

Tia X được phát hiện vào năm 1895 thông qua các thí nghiệm của nhà vật lý người Đức Wilhelm Röntgen. Ông muốn kiểm tra xem tia âm cực có thể xuyên qua thủy tinh hay không. Khi cho chạy ống cathode, ông phát hiện có bức xạ vô hình phát ra từ lớp vỏ thủy tinh đối diện với cathode. Ông gọi chúng là tia X vì bí ẩn vẫn chưa được khám phá. Nhờ khám phá này và nghiên cứu không mệt mỏi để tìm ra bí mật của tia X, ông đã giành được giải Nobel vật lý đầu tiên vào năm 1901.

2. Cơ chế tạo tia X

Để tạo ra tia X, bạn cần sử dụng ống Coulitger làm nguồn. Quá trình tạo tia X bao gồm:

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

Cơ chế tạo tia X

Thông qua quá trình đó, hai loại tia X được tạo ra: “bức xạ Bremsstrahlung” và tia X đặc trưng:

• Bức xạ khung: Được tạo ra bởi sự tương tác giữa các electron và hạt nhân nguyên tử của vật liệu mục tiêu. 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 mục tiêu, khiến các electron của các nguyên tử trên vật liệu mục tiêu bị bật ra và lệch khỏi quỹ đạo của chúng. Những tia X này được gọi là tia X đặc trưng vì chúng đặc trưng cho từng loại nguyên tố bia. Tia X thường sinh ra nhiều nhiệt và có biện pháp giảm nhiệt để bảo vệ đầu đèn.

3. Tính chất của tia X

Tia X có các tính chất đặc trưng như:

Bước sóng và năng lượng:

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

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

Sự bức xạ của sóng điện từ

Khả năng truyền thẳng và xuyên thấu:

Tia X truyền thẳng theo mọi hướng và có khả năng xuyên qua bất kỳ vật liệu nào, kể cả cơ thể con người hay các vật thể có khả năng chặn ánh sáng thông thường như gỗ, thủy tinh, kim loại mỏng… Khi tia X có bước sóng ngắn, cho năng lượng cao cấp độ, khả năng thâm nhập tăng lên.

Khả năng hấp thụ:

Khi tia X xuyên qua vật thể, cường độ của chúng giảm đi vì một phần năng lượng của chúng bị hấp thụ. Tính chất này của tia X đã được áp dụng làm cơ sở cho các phương pháp chẩn đoán hình ảnh tia X. Mức hấp thụ tia X tỷ lệ thuận với:

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

Tính chất quang học: Tia X có tất cả các tính chất quang học như khúc xạ, tán xạ, phản xạ và nhiễu xạ. Có khả năng làm phát quang một số chất.

Khả năng nhìn của mắt người: Mắt người không thể nhìn thấy tia X vì chúng là bức xạ mạnh, có bước sóng lớn hơn phạm vi ánh sáng mà mắt người có thể nhìn thấy.

Tác dụng sinh học:

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

4. Ứng dụng tia X trong đời sống và sản xuất

Tia X được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống, đặc biệt có ý nghĩa rất lớn đối với y học. Các ứng dụng của tia X bao gồm:

4.1 Ứng dụng của tia X trong y học

Tia X có bước sóng ngắn và năng lượng cao nên có thể xuyên qua các mô cơ thể như da, cơ và thậm chí cả các mô cứng như xương. Đồng thời khi đi qua chúng được tái hấp thu một phần. Nhờ đặc tính này, tia X được sử dụng trong máy chụp X-quang giúp chẩn đoán hình ảnh một cách chính xác, tạo nên bước tiến lớn cho y học. Giúp nhìn rõ cấu trúc các mô trong cơ thể, giúp chẩn đoán và điều trị nhanh chóng mà không gây đau đớn cho người bệnh.

Việc sử dụng tia X để chẩn đoán hình ảnh có hiệu quả trong việc xác định các bệnh về xương và mô của cơ thể. Khi khám ngực có thể phát hiện viêm phổi, ung thư phổi; trong ổ bụng có thể giúp chẩn đoán tắc ruột, tràn dịch, khí thũng… Ứng dụng chụp X-quang y tế như máy chụp X-quang, chụp CT, PET-CT…

Ngoài ra, tia X còn được ứng dụng trong xạ trị để điều trị các tế bào ung thư bề mặt.

Ứng dụng tia X trong chụp ảnh tia X

4.2 Trong nghiên cứu khoa học

Tia X được sử dụng trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể. Quang phổ tia X phân tán năng lượng (viết tắt là EDS – Energy-dispersive X-ray Spectroscopy) là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật thể rắn dựa trên việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật thể rắn do tương tác với bức xạ trong kính hiển vi điện tử.

4.3 Phục vụ kiểm tra an ninh tại sân bay

Tia X được sử dụng trong các máy soi an ninh đặt tại sân bay, cửa khẩu, những nơi có yêu cầu an ninh cao để kiểm tra hành lý niêm phong giúp phát hiện đồ vật nguy hiểm. Các hệ thống quét an ninh thường tích hợp tính năng chiếu tia X với chức năng quét phát hiện kim loại để có được thông tin đáng tin cậy hơn về đối tượng được quét.

4.4 Trong công nghệ cơ khí

Tia X được sử dụng trong máy chụp X quang để giúp kiểm tra các khuyết tật trong sản phẩm đúc. Phương pháp kiểm tra này được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực cơ khí nhằm giúp tìm ra lỗi mà không làm hỏng sản phẩm.