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 phương pháp chụp X-quang đã mang lại bước tiến mới cho ngành y học hiện đại. Vậy hãy cùng VIETCHEM tìm hiểu những thông tin thú vị về tia X là gì và ứng dụng của nó trong cuộc sống qua bài viết dưới đây nhé.

1. Tia X là gì?

Tia X có bản chất là một dạng sóng điện từ, được phát ra khi chùm tia electron đập vào vật rắn. Tia X còn có tên gọi khác là tia Rontgen, mang tên nhà khoa học tìm ra nó. 

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.

2. 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. 

Cơ chế tạo tia X

Qua quá trình đó đã tạo ra 2 dạng tia X là ‘bức xạ hãm’ và tia X 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 đặc trưng sinh nhiệt lớn có biện pháp giảm nhiệt để bảo vệ đầu đèn. 

3. 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 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 mềm dễ bị hấp thụ trong không khí, có mức năng lượng khoảng 600eV, bước sóng 2nm; trong môi trường nước giảm còn < 1nm.  

Bức xạ sóng điện từ

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 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 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.

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

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

4.1 Ứng dụng của tia X trong y học

Tia X có bước sóng ngắn, năng lượng lớn nên chúng có thể xuyên qua các mô trong cơ thể như da, cơ và cả mô cứng như xương. Đồng thời khi đi qua chúng bị hấp thụ lại 1 phần. Nhờ tính chất này mà tia X được sử dụng trong máy chụp X-quang giúp chẩn đoán hình ảnh chính xác, tạo một bước tiến vượt bậc cho y tế.  Nó giúp nhìn rõ cấu trúc các mô trong cơ thể, giúp việc chẩn đoán và điều trị một cách nhanh chóng mà không làm bệnh nhân đau đớn. 

Việc dùng tia X để chẩn đoán hình ảnh hiệu quả khi xác định các bệnh lý trên xương và các mô trên cơ thể. Khi khảo sát trên ngực có thể phát hiện ra bệnh viêm phổi, ung thư phổi; ở bụng có thể giúp chẩn đoán bệnh tắc ruột, tràn dịch, tràn khí… Các thiết bị ứng dụng tia X trong y tế như máy chụp X-quang, chụp CT, PET-CT…

Ngoài ra tia X còn được dùng trong xạ trị để điều trị các tế bào ung thư nông. 

Ứng dụng tia X trong chụp X-quang

4.2 Trong khoa học nghiên cứu 

Tia X được sử dụng trong các nghiên cứu về cấu trúc tinh thể. Phổ tán sắc năng lượng tia X (viết tắt là EDS - 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 trong các kính hiển vi điện tử. 

4.3 Phục vụ kiểm tra an ninh tại sân bay

Tia X được sử dụng trong các máy quét an ninh đặt tại các sân bay, cửa khẩu, những nơi yêu cầu an ninh cao để kiểm tra hành lý gói kín giúp phát hiện ra những vật nguy hiểm. 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.

4.4 Trong công nghệ cơ khí

Tia X được sử dụng trong các máy chụp ảnh phóng xạ giúp kiểm tra các khuyết tật có trong các sản phẩm đúc. Phương pháp thử nghiệm này được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực cơ khí giúp tìm lỗi mà không phá hủy sản phẩm.