Khả năng xuyên thấu của tia X

Bài viết được tư vấn chuyên môn bởi - Thạc sĩ, Bác sĩ nội trú, Bác sĩ chuyên khoa I Trịnh Lê Hồng Minh - Khoa Chẩn đoán hình ảnh - Bệnh viện Đa khoa Quốc tế Vinmec Central Park.

Tia X được biết đến là một trong những phát hiện quan trọng trong nền lịch sử y học hiện đại. Việc phát minh ra tia X đã mang lại những ứng dụng tuyệt vời giúp phát hiện và hỗ trợ chẩn đoán, điều trị bệnh đạt hiệu quả và độ chính xác cao.

Bản chất của tia X là sóng điện từ, bức xạ phát ra chùm tia electron đập vào vật rắn, 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. Bước sóng của tia X dài hơn tia gamma nhưng ngắn hơn tia tử ngoại.

Trong thế kỷ 19, tia X được coi là một trong những phát minh nổi bật. Không chỉ mở ra một chương mới cho ngành vật lý mà tia X còn được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế, giúp giúp các bác sĩ nhìn thấy những bộ phận bên trong cơ thể bệnh nhân mà không cần phẫu thuật.

Vào năm 1985, nhà vật lý Wilhelm Conrad Rontgen (1845 – 1923) sinh ra tại Lennep, Đức, trở thành người đầu tiên quan sát tia X, đây cũng chính là lý do tia X còn được gọi gọi là tia Rontgen. Đây được coi là một phát minh khoa học quan trọng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chủ yếu là y học.

Tia X là một dạng bức xạ năng lượng cao không thể nhìn thấy được bằng mắt thường. Kỹ thuật ứng dụng của tia x được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là y tế, vì loại tia này có thể xuyên thấu qua nhiều vật thể, nhất là vật thể sống. Tuy nhiên, tia X cũng mang đến nhiều nguy hại tới cơ thể con người.

Tia X, một bức xạ điện từ, được phát ra bởi các electron nằm ngoài hạt nhân nguyên tử (không giống như các tia alpha và gamma năng lượng cao khác, được phát ra từ hạt nhân nguyên tử). Tia X tương tự như ánh sáng khả kiến ​​nhưng có bước sóng ngắn hơn nhiều (từ khoảng 10 đến 0,02 nanomet) và năng lượng cao hơn nhiều (từ ~ 0,12 đến ~ 120 keV). Do đó, tia X có thể xuyên qua các mô sinh học và nhiều vật liệu khác mà ánh sáng nhìn thấy không thể. Khả năng xuyên thấu cao này và các hệ số suy giảm tia X khác nhau của các mô cơ thể khác nhau làm cho tia X trở thành một tín hiệu hữu ích cho hình ảnh y sinh.

Nói chung, tia X được phân loại là loại mềm hay loại cứng theo phạm vi năng lượng của chúng. Tia X mềm phạm vi từ ~ 0,12 đến ~ 12 keV và phạm vi X của tia X cứng từ ~ 12 đến ~ 120 keV. Có thể hiểu được, tia X cứng thường được sử dụng cho các vật thể rắn hoặc lớn, và tia X mềm được sử dụng cho các vật thể nhỏ hoặc cho một số yêu cầu đặc biệt đối với hình ảnh năng lượng thấp.

Hình ảnh tia X không chỉ phụ thuộc vào năng lượng tia X, mà còn phụ thuộc vào mật độ của các vật liệu sẽ được chụp; mật độ của vật liệu càng cao thì sự hấp thụ càng ít và độ xuyên thấu càng ít. Chính vì những sự hấp thụ khác biệt này (tức là hệ số suy giảm tia X) mà mật độ khác nhau của xương, cơ, mỡ và các mô mềm khác có thể được phân biệt. Đây là cơ sở vật lý của hình ảnh X quang y sinh.

Do sự khác biệt giữa các hệ số suy giảm tia X của các mô khác nhau tạo ra độ tương phản hình ảnh, các công nghệ dựa trên tia X thường tốt cho việc chụp ảnh xương và phổi. Do xương chứa các nguyên tử tương đối nặng với nhiều electron đóng vai trò là chất hấp thụ tia X, nên hình ảnh của nó khác biệt đáng kể so với các mô mềm xung quanh, chủ yếu bao gồm nước, protein và các phân tử khác có nguyên tử nhẹ hơn.

Trong phổi, không khí không có sự hấp thụ của tia X, do đó, nó hoạt động như một chất tương phản, có thể nhìn thấy rõ cấu trúc mô phổi do sự khác biệt về độ tương phản giữa không khí và mô phổi. Tuy nhiên, đối với các mô và cơ quan mềm, hình ảnh X quang tạo ra độ tương phản rất kém. Do thiếu độ tương phản này, các kỹ thuật dựa trên tia X có thể không lý tưởng cho hình ảnh mô mềm và cơ quan nếu không sử dụng chất cản quang.

Tia X có bước sóng càng ngắn thì khả năng xuyên thấu càng lớn. Nó dễ dàng đi qua các vật không trong suốt đối với ánh sáng thông thường như gỗ, giấy, vải, các mô mềm như thịt, da. Đối với các mô cứng như xương và kim loại thì nó đi qua khó hơn. Kim loại có nguyên tử khối càng lớn thì tia X càng khó xuyên qua. Chẳng hạn, một chùm tia X có thể đi qua một tấm nhôm dày vài cm, nhưng bị chặn bởi một tấm chì dày vài mm. Vì vậy, chì thường được dùng làm tấm chắn bảo vệ trong phòng chụp X-quang.

Tia X có thể xuyên qua các bức tường, nhưng điều này được tính đến khi thiết kế, xây dựng và chứng nhận bất kỳ phòng nào có chứa nguồn tia X. Các bức tường của căn phòng sẽ có đủ che chắn để tiếp xúc ở phía bên kia là không đáng kể.

Đầu tiên, bạn xem xét hướng của ống tia X sẽ hướng vào đâu, và những phòng nào ở phía bên kia của những bức tường đó (bao gồm cả sàn / trần). Sau đó, bạn tính đến những phòng đó được sử dụng cho mục đích gì và tần suất sử dụng của chúng. Cuối cùng, bạn xem xét thiết bị X-quang mạnh như thế nào và mức độ thường xuyên sử dụng. Bạn kết hợp tất cả những điều đó để tìm ra mức độ che chắn bạn cần để giữ mức phơi sáng trong giới hạn an toàn.

Khác với tia hồng ngoại được ứng dụng nhiều trong đời sống, tia X được sử dụng nhiều trong y học để chụp X quang, điều trị ung thư và nhiều mục đích khác gồm:

• Hình ảnh X quang

Phương pháp này giúp bác sĩ xác định xem liệu bạn có vấn đề gì về xương khớp hay không. Nếu xương bị tổn thương như gãy, nứt thì chụp X quang sẽ giúp phát hiện chính xác vị trí xương bị ảnh hưởng. Chụp cắt lớp hay chụp CT cũng là ứng dụng quan trọng của tia X.

Bên cạnh đó, X quang cũng đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm tra an ninh vận tải đối với hàng hóa, hành lý và hành khách. Thời gian thực nội dung của các gói và cá mặt của khách được hiển thị trên máy dò hình ảnh điện tử.

• Xạ trị ung thư

Bằng cách sử dụng bức xạ năng lượng cao, xạ trị tiêu diệt các tế bào ung thư bằng cách làm hỏng DNA của chúng. Việc điều trị này cũng có thể làm tổn hại đến các tế bào bình thường.

Để loại bỏ hoàn toàn các electron khỏi các nguyên tử và phân tử, các bức xạ ion hóa từ tia X chiếu vào một khu vực tập trung có đủ năng lượng, do đó làm thay đổi tính chất của chúng.

Điều này có thể làm hỏng hoặc phá hủy các tế bào nếu ở mức thích hợp. Nó cũng cũng có thể được sử dụng để chống lại nó trong trường hợp những tổn thương tế bào này có thể gây ung thư. Nó có thể phá hủy những tế bào bất thường đó bằng cách hướng tia X vào các khối u ác tính.

Trong ngành y học hiện đại, tia X đóng vai trò quan trọng vô cùng lớn, tuy nhiên sức khỏe của chúng ta có thể bị ảnh hưởng trực tiếp nếu tiếp xúc nhiều với tia X.

Tia X ngày nay được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực y tế để điều trị ung thư. Viện Ung thư Quốc gia Mỹ khuyến cáo việc điều trị nên được lên kế hoạch cẩn thận nhằm giảm thiểu tác dụng phụ vì tia X cũng phá hỏng các tế bào bình thường.

Người ta có thể dùng tia X để xác định lỗ hổng và vết nứt bên trong những vật đúc bằng kim loại, hoặc nghiên cứu thành phần cấu trúc của các vật rắn trong phòng thí nghiệm do khả năng chiếu xuyên qua một số vật liệu nhất định.

Trong lĩnh vực thiên văn, tia X được tạo ra bởi một số thiên thể trong vũ trụ, ví dụ như hệ sao nhị phân hoặc hố đen ở trung tâm các thiên hà xoắn ốc đang nuốt những ngôi sao và đám mây khí xung quanh. Do đó, giới khoa học có thể sử dụng kính thiên văn tia X để nghiên cứu chúng.

Nguồn tham khảo: sciencedirect.com, reddit.com