Tia X: Một phát minh tình cờ

Năm 1895, nhà vật lý Wilhelm Conrad Rontgen (1845 – 1923) sinh ra tại Lennep, Đức, trở thành người đầu tiên quan sát tia X. Đây là một phát minh khoa học quan trọng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chủ yếu là y học.

Khám phá của Rontgen xảy ra tại phòng thí nghiệm của Đại học Wurzburg (Đức), khi ông tiến hành các nghiên cứu với một ống tia catôt [hay ống tia âm cực] làm bằng thủy tinh, bên trong là chân không với hai điện cực. Mặc dù bọc ống bằng giấy đen cẩn thẩn, nhưng Rontgen tình cờ nhìn thấy màn huỳnh quang phủ hợp chất barium platinocyanide BaPt(CN)4 đặt gần đó phát sáng khi ống tia catôt được bật trong căn phòng tối. Ông thử rút phích điện ra khỏi ổ cắm thì ánh sáng ngay lập tức biến mất.

Rontgen suy đoán một loại tia bí ẩn nào đó đã làm sáng màn huỳnh quang. Rontgen cố gắng chặn các tia phát ra từ ống tia catôt lần lượt bằng tấm bìa cứng, một cuốn sách dày 1.000 trang, một bảng gỗ dày hơn 2,5 cm nhưng đều không thành công. Do không rõ bản chất của tia này nên ông gọi nó là tia X [chữ X tượng trưng cho điều chưa biết], sau này giới khoa học gọi là tia Rontgen.

Rontgen đã miệt mài làm việc trong phòng thí nghiệm để hiểu rõ hơn về loại tia mới. Ông khám phá ra rằng, tia X là sóng điện từ hoạt động tương tự như ánh sáng khả kiến [ánh sáng nằm trong vùng quang phổ mắt người nhìn thấy được] nhưng ở bước sóng ngắn hơn khoảng 1.000 lần. Cụ thể, tia X có bước sóng từ 10^-11 m đến 10^-8 m. Khi một chùm tia catôt – chùm electron mang năng lượng lớn – đập vào một vật rắn thì vật đó phát ra tia X.

Trước ngày Giáng Sinh, Rontgen chia sẻ kết quả nghiên cứu với vợ [tên là Bertha], cũng như muốn bà giúp đỡ thực hiện một thí nghiệm tiếp theo. Ông thay thế màn huỳnh quang bằng giấy ảnh, sau đó để vợ giơ tay chắn đường truyền của tia X. Thật kỳ lạ, những đốt xương ngón tay của bà Bertha hiện lên rõ nét trên giấy ảnh, bao gồm cả chiếc nhẫn cưới đang đeo. Đây là bức ảnh chụp X-quang đầu tiên trên thế giới. Năm 1896, Rontgen công bố bức ảnh tại hội nghị của Hội Vật lý thành phố Wurtzbourg (Đức) với sự tham dự đông đảo của các nhà khoa học nhằm chứng minh khả năng đâm xuyên của tia X qua cơ thể người.

Tia X có bước sóng càng ngắn thì khả năng đâm xuyên 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.

Rontgen nhận được nhiều giải thưởng cho việc phát hiện ra tia X, bao gồm giải thưởng Nobel Vật lý năm 1901. Theo Live Science, Cục Hải quân Đức từng cử người đến gặp Rontgen và nói sẵn sàng chi một số tiền lớn, cung cấp đủ mọi phương tiện để ông tìm cách khai thác sức mạnh của tia X làm vũ khí cho tàu ngầm. Người này cũng đề nghị ông đăng ký phát minh để giữ độc quyền về tia X, không cho nước ngoài sử dụng. Tuy nhiên, Rontgen kiên quyết từ chối. Ông muốn tia X được dùng vào việc chăm sóc sức khỏe cho người dân, nó thuộc về toàn thể nhân loại, còn việc dùng làm phương tiện phục vụ chiến tranh không bao giờ có trong ý định của ông.

Khám phá của Rontgen được coi là một “phép lạ” trong lĩnh vực y học. Tia X nhanh chóng trở thành một công cụ chẩn đoán quan trọng, cho phép các bác sĩ nhìn thấy những bộ phận bên trong cơ thể người mà không cần phẫu thuật.

Năm 1897, phương pháp chụp X-quang lần đầu tiên được sử dụng trên chiến trường, trong cuộc Chiến tranh Balkan, để tìm vị trí đạn và xương gãy bên trong cơ thể bệnh nhân.

Các nhà khoa học đã nhanh chóng nhận ra lợi ích của tia X, nhưng lại chậm hơn trong việc nhận biết tác hại của loại bức xạ này. Ban đầu, người ta tin rằng tia X đi xuyên qua da thịt và không gây hại như ánh sáng thông thường. Nhưng sau vài năm, các nhà nghiên cứu bắt đầu báo cáo những trường hợp bị bỏng và tổn thương da khi tiếp xúc liên tục với tia X. Trường hợp nổi bật nhất là Clarence Dally, trợ lý của Thomas Edison, qua đời vì ung thư da năm 1904 do làm việc nhiều với tia X. Cái chết của Dally khiến một số nhà khoa học bắt đầu để ý đến những rủi ro mà tia X có thể gây ra.

Tuy nhiên trong những năm 1930 – 1950, nhiều cửa hàng bán giày ở Mỹ vẫn sử dụng máy huỳnh quang tia X để khách hàng có thể nhìn thấy độ lớn các xương bàn chân, giúp họ chọn giày phù hợp với kích cỡ chân. Sau thập niên 1950, việc làm này mới được coi là nguy hiểm.

Ngày nay, tia X được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực y tế để điều trị ung thư. Đây là loại bức xạ năng lượng cao có khả năng tiêu diệt tế bào trong khối u bằng cách phá hủy DNA của chúng. Vì tia X cũng phá hỏng các tế bào bình thường, nên Viện Ung thư Quốc gia Mỹ khuyến cáo việc điều trị nên được lên kế hoạch cẩn thận nhằm giảm thiểu tác dụng phụ.

Do khả năng chiếu xuyên qua một số vật liệu nhất định, 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. Ngoài ra, tia X cũng được ứng dụng trong việc kiểm tra an ninh tại các sân bay, phát hiện vũ khí và những đồ vật nguy hiểm có trong hành lý của hành khách.

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.