Lịch sử tia X - Phần 2 doc

Lịch sử tia X - Phần 2 ALEXI ASSMUS Việc khám phá ra tia X vào năm 1895 là sự khởi đầu của một sự thay đổi mang tính cách mạng trong nhận thức của chúng ta về thế giới vật chất. Roentgen đã chuyểnsangmột niềm đammê mới vào tháng 10 năm 1895: đó là nghiên cứutia cathode.Trong quá trình lặp lại các thí nghiệm của Hertz và Lenard,ông bất ngờ để ý thấy một màn hình huỳnhquangphát sáng khinó nằm cách ốngCrookesmộtkhoảng cách khá xa. Mànhình nằmxa hơn 6 đến 8 cmso với khoảng cách mà Lenard tìmthấy là khoảngcách cực đại chotia cathodeduytrì năng lượngcủa chúng để gây cảm ứnghuỳnhquang. Roentgennhận thấyhiệuứng trên đáng để ông chuyên tâmtheo đuổi và ôngđã dành 6tuần tiếp sauđó để nghiêncứu nó một cách khôngmệtmỏi. PhillipLenard, 1862–1947. (Ảnh: AIPNiels BohrLibrary) Các nhà sử học từng tranh cãi về nguyên do vìsao Roentgen là người đầu tiên nhận ra tầm quantrọng củahiệu ứng này.Thiết bị trên, một ống tiacathode và một màn hìnhhuỳnhquang,đã được sử dụng trong hàngthập kỉ. Năm1894, J.J. Thomsonđã nhìn thấy sự huỳnh quang trong ống thủy tinhĐứcnằm cáchống phóngđiện vài chục cm. Những ngườikhácthì để ý thấy các tấmkính ảnh bị mờ đi. Nhưng trước khicócông trìnhcủa Lenard, đối tượng nghiên cứuluôn luônlà các hiệu ứng xảy rabêntrongống, và ánhsáng tử ngoại cựcngắn có thể dùng để giải thích sự mờ đi của cáctấmkính ảnh.Niềmđam mêlớnnhất của Lenardlà chứng minh, trái với cái người Anh nghĩ, cho bản chất ê te củatia cathode,và ônglà người đầu tiên nghiên cứu các tác dụng của những tia này trong không khí và trongmột ống thủytinh thứ hai mà ônghứngchúng vào đấy. Hình trích trong “WilhelmConradRoentgen,” Từ điển Tiểu sử Khoa học. (NewYork:Scribner’s, 1975),trang531. Heinrich Rudolf Hertz,1857–1894.(Ảnh: Bảo tàng HàLan vàAIP Emilio Segrè VisualArchives) Roentgen, mộtnhà thực nghiệm tỉ mỉ và tinh mắt, đã tiến hành những thử nghiệmrõ ràng trên các tia X mới đó: Chúngcó truyền thẳng hay không?Chúng có bị khúc xạ không?Chúng có bị phản xạ không? Chúng có khác với tia cathode không?Chúngcó bản chất là gì? Giống như tia cathode,chúng truyền đi theo đườngthẳng. Roentgenkhông thể làm chochúng khúcxạ với nước vàcarbon bisulphide trong lăng kính mica.Ông cũng không thể tập trung chúng bằng các thấu kínhthủytinhhoặc ebonite. Vớilăngkính ebonite và nhôm,ông để ý đến khả năng cáctia khúc xạ trên kính ảnhnhưngkhôngthể quan sát hiệu ứngnày trên màn hình huỳnhquang.Tiếp tục kiểm trasau đó, ôngnhậnthấytia X có thể truyền tự do qua những lớp dày gồm muốibột đá mịn, bộtmuối điện phân, và bụi kẽm, khônggiống như ánh sáng nhìn thấy, cái vìsự khúc xạ và phản xạ màkhó điqua tất cả. Ông kết luậnrằngtia X không dễ gì bị khúc xạ hay phảnxạ bình thường. Roentgen nhận thấy tia X phátratừ sự huỳnh quang sángrỡ trên ống, nơi tia cathodevachạm với thủy tinhvà bị phântán ra.Điểmgốc của tia X di chuyển khi tia cathodebị di chuyển bởi từ trường, nhưng bản thân tia X thì không nhạy với nam châm. Roentgenkết luận rằng chúngkhác với tia cathode, vì công trình nghiêncứu của Lenardđã chứng minhrằngtia cathode truyền qua ống vẫn giữ hướngtruyền của chúngnhưng dễ bị lệch hướng bởi từ trường. Roentgen lí giải việcgọi tên tia hiệntượngmới donhữnghình ảnhlờ mờ mà chúng tạo ra: các xươngtrong bàntay, cácsợi dây quấn xungquanh mộtcon suốt chỉ, các quả nặng trong một cái hộp, một cáila bàn và kim nam châm giấu trong một thùngkim loại, sự khôngđồng đều củamột kimloại. Khả năng tạoảnh của các tia mới đã manglại cho chúng sức hấp dẫn lớnđối với côngchúngvà manglại danh tiếng choRoentgen. Nhiều bài báo xuất hiện trên cáctạp chí nhiếp ảnh,và tờ The New-York Times đã đăng tít khám phá trênbên dưới bức ảnhchụp.Vìcác tia đó làm đen kínhảnh, nên ngườita nghĩ chúng là một dạng nào đó của ánhsáng. Nhà vật lí Roentgen đồng tình như vậy. Chấp nhậncác khẳng định của Lenardrằng tia cathodelà các daođộng của ê te, Roentgenđã so sánh các tia mới vớichúng và đi tới quanđiểm cho rằng cả hai đều có bản chất ê te,mặcdù khácvớiánh sáng nhìn thấy, tia hồng ngoại và tia tử ngoại ở chỗ chúng không bị phản xạ hay khúc xạ. Ông đề xuất rằng tiacathode và tia Xlà các dao độngdọc củaê te, chứ không phải các dao động ngang. Giờ thì sự tồn tại củachúngđã được xác lập, ngườita dễ dàng làm thí nghiệmvới các tia X mới đó.Bản thân Roentgen chỉ côngbố ba bài báo về đề tài trên,nhưng những người khác nhanhchóng nhảy vào lĩnhvực nghiên cứu này. Và khôngchỉ có các nhà vật lí. ThomasEdisonđã sử dụngcác bóng đèn nóngsáng cải tiến để tạora các tia mới. Ông khoevới các phóngviên rằng bất kì ai cũng có thể tạo ra ảnh chụp của xương bàn tay, đó chỉ là mộttrò chơi của trẻ con. Chỉ trong một thángsau công bố của Roentgen,cácbác sĩ đã sử dụng tiaX để xác địnhvị trí của viênđạn trong dathịt người vàchụp ảnh các xương bị gãy. Tiến sĩ HenryW. Cattell,người trình diễn giải phẫu bệnh tật tại trườngđạihọc Pennsylvania,đã xác nhậntầm quantrọng của chúng trong việc chẩn đoán sạn thận và xơ gan, và ôngđã bình luận rằng “Trí tưởng tượng giải phẫu cóthể tự đánh mất mình trongkhi nghĩ ra vôsố ứng dụng của quátrình tuyệt vời này” (The New-York Times, 15/02/1896, trang9). Trongsáu tháng đầu tiênsau khám phá của họ, các xác ướp thành Vienna đã được phân tích, cácbác sĩ khẳng địnhđã chụp được ảnhnãocủa họ,và trái tim con người cũng được phanh phui.Năm 1897, mặt nguyhại của tia X được báocáo: các thí dụ bao gồmsự rụng tóc và cháy dado liều lượngbiến thiên. Các kĩ sư điện và cácnhà vật lí đã tranh luận về bản chấtcủa nhữngtia X này. Albert Michelsonnghĩ rằng chúnglà các xoáy trong ête. Thomas Edisonvà Oliver Lodgethì đề xuất các sóng âmhaysóng hấp dẫn. Nhưng khả năng chụp ảnh củacác tia đó mới là cái quyếtđịnh, vàcác nhà tư duy nghiêm túc đưa raba khả năng, tất cả ba khả năng đều có nguồn gốc điện từ: chúng làsóng ánhsáng có tầnsố rất cao; chúng làsóng dọc (đề xuất ban đầu của Roentgen); hoặc chúng là những xung ngang,rời rạc, củaê te. HenriPoincaré, 1854–1912. (Ảnh: AIPEmilioSegrè VisualArchives) Khá dễ dàng bác bỏ giả thuyết rằng chúng là sóng dọc, bất chấpsự ủng hộ của Henri Poincaré vàngài Kelvin.Điểm then chốtcủa câu hỏilà các sóngđó có bị phân cựchay không. Nếu bị phân cực, thì chúngkhông thể nàolà sóng dọcđược. Mặcdù các thí nghiệm ban đầu về sự phâncực manglại kết quả âm tính hoặc khôngrõ ràng,nhưngvới sự khám phá ramột tia khác nữa, tia uranium của Henri Bequerelchocái ông khẳngđịnh đã tìm thấy sự phân cực, thì cáctia đó ở châu Âu lục địalập nên mộtkiểu hìnhthuyết phục.Nó đitừ các daođộngê te ngang tần số từ thấp đến cao: ánh sáng, tia uranium,tiaX. Tia uranium donhữngkhoáng chất nhất địnhgiải phóng ra,và chúng không cần thiếtbị nào để tạo ra chúng, nhưng chúng có nhữngtínhchất nhất địnhgiốngvới tia X.Chúnglàmđen kính ảnhvà chúng làm chocác chất khí dẫn điện. Các nhà vật lí người Anhthìxem xét khả năng tiaX là cácxungđộng trong ê te thayvì cácsóng liên tục. Vị giáo sư toán học ngạchLucasiantại Cambridge,ngài George GabrielStokes, cùng người đồng nghiệp của ông vàlà giám đốcPhòng thí nghiệmCavendish, J.JThomson,thì kiên địnhvới giả thuyết xungvào năm 1896. Nó phù hợpvới quanđiểm củahọ về tia cathode làcác hạt (Thomsoncông bố khámphá ra các tiểu thể đó, haycác electron,vàomột năm sauđó). Sự dừng lại đột ngộtcủa một hạt tích điện, sau một khoảng trễ thời gian nhỏ xíu, sẽ mang lại sự truyền ra ngoài của một xungđiện từ. Với phép đo chínhxác của Thomsonvề tỉ số điện-tích-trên-khối-lượngvà líthuyết electronthành công của H.A Lorentz,lí thuyết giải thích được nhiềuhiện tượng hấp dẫn, các nhà vật lí Lụcđịabắt đầu chấpnhận, trướcsự mất tinh thần của Lenard,rằng tia cathode làcác hạt vật chất, còn tia Xlàcác xung trong ê te. Ảnh chụp tia X đầu tiên côngbố trước công chúng.Bàn tay củanhàphẫu thuật danhtiếng, Albertvon Kölliker,chụp trong bài giảng đầu tiêncủa Roentgen trước Hội Vật lí Y khoaWürzburg,hôm 23/01/1896. Những kết quả mới sớm xuấthiện sauđó.Hai nhàvật língườiHà Lan, HermannHaga và CorneliusWerd, công bố rằngtia X cóthể bị nhiễu xạ, và một nhânvật tại Göttingentên làArnoldSommerfeld đã thựchiện một phântích toán học của sự nhiễu xạ, chứngminh rằng kếtquả của họ có thể giải thích theo các xungkhôngcó chu kì cố định. Năm 1904, Charles GloverBarkla, mộthọctrò của Stokeslẫn Thomson tại Cambridge,chứng minhrằng tiaX có thể bị phân cực phẳng, trong khiđang thí nghiệm với các tia Xthứ cấp vàtam cấp.(Nhữngtia này được sinhraqua việc chiếu tia Xvào các chất rắn). Khi tia X bắt đầubiểu hiện, ngày một nhiều dần, các tính chất củaánhsáng, thì tia uraniummanglại những bí ẩn mới. Bản thân chúng gồm badạngtia riêng biệt: tia alpha,beta và gamma.Những tianày cóbản chất là gì?Thậtbất ngờ cho vật lí học, cái gần như đã gần đi tới kết luận, lại phải đối mặt trước nhữngkhám phá địnhlượng,không thể giải thíchnổi.Chúng không “thuộcchữ số thập phân thứ sáu” như Michelsondự đoán.Tại hội nghị quốc tế về vật lí họcdo Hội Vậtlí Pháp tổ chức ở Paris vào năm 1900, có đến tròn 9% số bàibáo là nói về cơ sở vật lí của cáctia mới. Năm 1899,Ernest Rutherford,một học trò khác của Thomsonvà là người trở thành ngườikế vị của ông làm giámđốc Phòngthí nghiệmCavendish, đã tách li tia alpha, có thể làm dừng lại bằngmột lá kimloại hoặccác tờ giấy, khỏi các tia beta cótính đâmxuyên hơn. Năm 1900,Rutherfordđã nhận ra tia betalà các electrontốc độ cao:bị lệch trongtừ trường, chúngthể hiện tỉ số điện-tích-trên- khối-lượngthật chính xác.Một thành phần thứ ba của tia uranium,khôngbị chệch hướngvà có tính đâmxuyên cao, đã được PaulVillard tại trường EcoleNormale Superieur ở Paris phát hiện ra.Rutherfordđặt tên cho chúng là tia gamma.Trong luận ánnăm 1903của bà, Marie Curieđã thực hiện cácso sánhsau đây:tia gamma với tiaX; tia betavới tia cathode; và tia alphavới tiaống(Tia ống là các dòng phân tử tích điện dương). ArnoldJohannesWilhelmSommerfeld,1868–1951. (Ảnh: AIP Niels Bohr Library) Vài năm sau đó lại xuất hiện một câu chuyệnkhácnữa. Nhà khoahọc người Anh WilliamHenry Bragg đã công bố vào năm 1907 rằng tia X và tia gamma thật ra khôngphải là sóngê te, màlà cáchạt, mộtcặp trunghòa như thế này: electron cộng với hạttích điệndương.Nghiên cứu nghiêm túc củaBraggbắt đầuở cái tuổi muộn màng, 41,sau 20năm vuithú tại trườngđại học Adelaide, Australia,nơi ông chơi golf và giải trí đàn đúm cùngcác viên chức chính phủ. Ôngcôngbố công trình sáng tạo mới củamìnhtrongmột bài diễn văn đọc trướcHiệp hộiAustralia vì Sự tiến bộ Khoahọc, trongđó ông đã nêu ra một nhậnxét quan trọng về công trình của Rutherford,nêu nghivấn đốivới định luật giảm theo hàm số mũ đối với sự hấp thụ tia alpha.Trong hainămrưỡi, mỗi vài tháng ônglại cho công bố một bàibáo, những nghiên cứu đã đưa ông đến chỗ phát biểu triệt để rằng tia X là các hạt.Quan điểm củaôngdựa trên hai thực tế:(i) tia Xkích thích số phân tử chất khítrong đườngđi củachúngít hơn sovớitrôngđợi từ một nhiễu loạn dạng sóng, và (ii) vận tốccủa các electronkích thíchbởi tia X lớn hơnvận tốc mà một sóngcó thể mang đến cho chúng. Vào lúcnày, Bragg và người con trai củaôngđã trở lại nước Anh, vàlí thuyết của họ gây ra sự tranhcãi mạnh mẽ ngay cả trong đấtnước mà các hạtđược ưa chuộngvà là nơimà sự mô phỏngkì lạ của cáchiện tượng vật lí được người ta dễ dàngchấp nhận. Đối thủ to tiếngnhấtcủa họ là CharlesBarkla, ông này cho rằng sự ion hóa của vật chất là một hiệu ứngthứ cấp không nhất thiết phải quy cho bản chấtsóng của tiaX. Ở phần sau, chúngta sẽ trở lại với vấnđề tập trung nănglượng tia X, cái khôngthể giải thích nổi theo dạng sóng,cái đã khai sinh ra quan điểm sâu sắccủa Louisde Broglievề bản chất sóngcủa vật chất. . Lịch sử tia X - Phần 2 ALEXI ASSMUS Việc khám phá ra tia X vào năm 1895 là sự khởi đầu của một sự thay đổi mang tính cách mạng. luậnrằngtia X không dễ gì bị khúc x hay phảnxạ bình thường. Roentgen nhận thấy tia X phátratừ sự huỳnh quang sángrỡ trên ống, nơi tia cathodevachạm với thủy tinhvà bị phântán ra.Điểmgốc của tia X. các tia beta cótính đâmxuyên hơn. Năm 1900,Rutherfordđã nhận ra tia betalà các electrontốc độ cao:bị lệch trongtừ trường, chúngthể hiện tỉ số điện-tích-trên- khối-lượngthật chính x c.Một thành phần