tiểu luận về Tia X , lịch sử phát hiện tia x, cấu tạo của tia x , cơ chế tạo thành tia x , quang phổ tia x .
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tập lớn này, em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo – T.S Bùi Đình Hợi tận tình, chu đáo giúp đỡ em suốt trình em viết tiểu luận Em xin cảm ơn quý Thầy, Cô khoa Vật Lý trường Đại Học Sư Phạm Huế truyền cho em vốn kiến thức suốt trình em học trường Vốn kiến thức khơng giúp em hồn thành tốt tập lớn này, mà hành trang giúp em vững bước, tự tin để bước vào đời Em xin cảm ơn tất bạn lớp khoa đồng hành, giúp đỡ để em hoàn thành tốt Tuy cố gắng để hoàn thành tốt, tiểu luận em không tránh khỏi sai sót, mong nhận góp ý thầy Em xin chân thành cảm ơn!!! Sinh viên thực Nguyễn Đăng Nhật Thiện A PHẦN MỞ ĐẦU 1.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Xã hội ngày phát triển, đời sống người dần tiến đại, kéo theo phát triển vũ bão khoa học kĩ thuật Các cơng trình nghiên cứu khoa học đời nhằm phục vụ tốt cho nhu cầu người Thời đại ngày – thời đại tầm cao trí tuệ, sản phẩm sinh hoạt người ứng dụng tinh tế phát minh khoa học Mỗi ngành khoa học có ứng dụng cụ thể số lĩnh vực định Vật lý học ngành cống hiến cho nhân loại phát minh mà tác dụng đời sống không nhỏ Vào năm kỉ XIX, với việc tìm tia X xạ có bước sóng ngắn bước sóng tia tử ngoại, nhà vật lý học người Đức tiếng giới Rơnghen (Wilhelm Conrad Roentgen) khởi đầu thay đổi mang tính cách mạng, nhận thức giới vật chất Những ứng dụng tuyệt vời tia X y học bước ngoặt chuẩn đốn điều trị bệnh Tia X dùng cơng nghiệp phân tích cấu trúc tinh thể, hay nghiên cứu khoa học nhiều lĩnh vực khác sống người Trên lý chọn đề tài em 2.MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Tìm hiểu lịch sử phát hiện, tính chất, chế phát xạ, quang phổ, hấp thụ, tán xạ tia X số lĩnh vực ứng dụng quan trọng 3.GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Chỉ tìm hiểu chế phát xạ tia X qua tài liệu ứng dụng lĩnh vực y học, cơng nghiệp, an ninh, quốc phòng, sinh học, hội họa 4.PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN Sưu tầm, phân tích tài liệu, sách báo internet Tổng hợp kiến thức có để viết tiểu luận TIA X 5.CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI - Chọn đề tài - Tìm kiếm tài liệu có liên quan đến đề tài, để lập đề cương thông qua giáo viên hướng dẫn - Tổng hợp tài liệu viết tiểu luận - Nộp tiểu luận trao đổi với giảng viên hướng dẫn TIA X B.NỘI DUNG GIỚI THIỆU 1.1.LỊCH SỬ PHÁT HIỆN TIA X Wilhelm Conrad Roentgen (Rơnghen) (27 tháng năm 1845 – 10 tháng năm 1923) sinh Lennep, Cộng Hòa Liên Bang Đức, nhà vật lý học, giám đốc Viện Vật lý trường Đại học Tổng hợp Wurtzbourg Thế kỉ XIX thời đại ơng Thời đó, động nước coi phát minh kiệt xuất nhân loại, kế sáng chế như: xe đạp, máy quay đĩa, điện thoại… Những môn khoa học như: Tốn, Lý, Hóa, Sinh… biệt lập cách xa Những kiến thức lý thuyết phát triển chậm, nhà nghiên cứu trước hết nhà thực nghiệm giỏi Ở vào thời kỳ này, vào năm 1890, nhà vật lý tên tuổi đổ xơ vào tìm hiểu phát minh Faraday Hittorf “Hiện tượng phóng điện khơng khí lỗng” Tia điện đề tài hấp dẫn, “mốt” theo đuổi nhiều nhà khoa học, có Rơnghen Tối ngày 8/11/1895, phòng thí nghiệm Viện Vật lý thuộc trường Đại học Tổng hợp Wurtzbourg (cách Berlin 300 km phía tây nam), Giám đốc Rơnghen “chong đèn” thâu đêm mải mê nghiên cứu dòng điện vận chuyển ống chân khơng, gọi ống Crookes – Hittorf, (đó tên nhà vật lý kiêm Chủ tịch Hội đồng Hoàng Gia Anh sáng chế Crookes đời cách ngày 40 năm) Rơnghen có ý định làm lại bước thí nghiệm với ống chân khơng Một thiết bị mà Rơnghen ý đến ống tia âm cực Đó ống thuỷ tinh chân khơng có hai điện cực hai đầu, cung cấp điện áp cao từ cuộn dây Ruhmkorff áp suất ống thấp, chúng tạo phát sáng huỳnh quang (phosphorescence) tác động chùm electron phát sinh từ âm cực Ông đặt chắn ống tia âm cực với thủy tinh (trong có tráng lớp hỗn hợp phát quang) Khi bật công tắc điện chắn có chứa barium plation – cyamit (ta thường gọi Xyanuabari) đặt trước ống chân không phát thứ ánh sáng xanh nhè nhẹ, lại khác lạ so với tia điện thường biết TIA X đến? Khi rút phích điện khỏi ổ cắm, ánh sáng kỳ lạ biến Ông kiểm tra lại nơi phát sáng, tình cờ ơng thấy bìa tẩm platinocyanure de baryum Ơng suy đốn: từ ống crookes phát đó, lại kích thích chất huỳnh quang hình Rơnghen tự hỏi: Hay bìa phát sáng? Hoặc khúc xạ tia điện? Hay ống nghiệm phát sáng? Ơng làm lại thí nghiệm cách thử dùng giấy đen bịt kín ống nghiệm lại xem Rơnghen lên: Lạ thật! Kết cũ Ơng dự đốn: tia Nó xuyên qua giấy đen Bà Bertha – người vợ thân yêu ông thấy chồng đăm chiêu ngày Ngồi ăn cơm bên mà bà không dám hỏi, e ngại dòng suy nghĩ chồng bị ngắt quãng Cả đêm hơm ơng khơng thể chợp mắt Ơng muốn lao sang phòng thí nghiệm tức khắc Ơng suy đốn miên man khơng ngủ Rồi đột nhiên, ông lên thành lời Phải rồi! May có giấy ảnh kiểm chứng khả xuyên qua giấy đen thứ tia lạ Trời vừa sáng, ơng sang phòng thí nghiệm ngay, lấy từ ngăn kéo tập giấy ảnh mua Ơng bắt tay vào thí nghiệm với giấy ảnh Rồi giao cho Marstaller – nhân viên phòng mang in thành ảnh Chỉ phút sau thấy Marstaller quay trở lại, anh tỏ ấp úng: “Tôi…tôi… trót mở tung gói giấy làm cho chúng đen lại” Nhưng Rơnghen nhìn kỹ lại thấy khơng đen Ơng quan sát kỹ thấy: có in hình chữ nhật hình tròn tựa nhẫn Nhìn vào ngăn kéo, ơng thấy có bìa cứng kích thước hình chữ nhật đặt nhẫn ơng Ơng nhớ lại: Hai nhà khoa học Kelvin Gabriel (người Anh) 15 năm trước có lần nói đến số tia lẫn tia điện Phải đây? Nhưng suốt 15 năm qua khơng tìm nó? Ơng ngồi nhìn lại hình giấy ảnh Rồi lại đặt lên bàn, tập trung đến cao độ để giải thích tượng Bà Bertha kể lại rằng: Trong suốt thời gian chung sống với nhau, khoảng gần 25 năm bà chưa thấy ông vui vẻ, rạng rỡ đến Gần đến ngày lễ Giáng Sinh rồi, ông định thử nghiệm lại lần Lần này, Rơnghen đưa thiết bị sang phòng bên cạnh, kéo rèm cửa lại để làm phòng tối Gần ống nghiệm có huỳnh quang Khi cơng tắc bật lên, tia lửa điện xuất ống huỳnh quang lại phát sáng Rơnghen bịt ống nghiệm ống giấy, chuyển hình quay trở lại phòng thí nghiệm cũ Ngăn cách hẳn TIA X cánh cửa gỗ, huỳnh quang sáng, có yếu trước đơi chút Lần ơng bỏ ống giấy ra, đặt thêm sách dày trước hình Ơng thận trọng bật công tắc Chà! Kết không thay đổi Ông mừng rỡ thật TIA X Suy tính giây lát, tay ơng nâng hình lên, tay đưa vào tầm huỳnh quang Thật sửng sốt! Ơng nhìn thấy đốt xương bàn tay mình, đường gân mạch máu Thú vị thay xương sống, chuyển động theo điều khiển ơng Rơnghen lại tiếp tục đưa vào vật cản khác, nhiều chất liệu, cuối ông rút kết luận: “Tia đặc biệt có khả xuyên qua giấy, gỗ, vải, cao su, phần mềm thể Nhưng không qua kim loại, kim loại có tỷ trọng lớn, khơng qua số phận thể, phận có chứa nguyên tố nặng xương Mặt khác, không bị ảnh hưởng từ trường, hay điện trường, làm cho khơng khí trở nên dẫn điện lên phim ảnh” Nhà phát minh cảm thấy cần phải chia sẻ với người vợ thân yêu Ông đặt bàn tay bà lên kính ảnh Ống nghiệm ơng để gầm bàn Ông dặn vợ: đừng có động đậy bàn tay đặt bàn Thế pô ảnh tia chưa kịp đặt tên ông chụp cho bàn tay mềm mại người vợ thân yêu Tấm ảnh chưa kịp khô, Rơnghen lấy cho vợ xem Những đốt xương tay bà Bertha lên thật rõ nét, nhẫn mà bà đeo ngón tay trỏ nữa, chúng lên rõ mồn Hơm ngày 22/12/1895 Về sau này, người ta ca ngợi hình “là chụp hình xương người lịch sử y học” Từ đây, giúp cho người thấy quan nội tạng mà trước khơng có cách thấy Thành cơng Rơnghen làm người kinh ngạc Ngày 28/12/1895, ông mang nộp báo cáo học thuật tia cho Học hội vật lý học y học Wurtzbourg cho in luận văn tên “Bản báo cáo sơ loại tia mới” Nội dung báo ơng trình bày buổi thuyết trình hội ngày 23/1/1896 Thông tin khám phá Rơnghen truyền vũ bão, nhanh chẳng thời đại Internet, chuyện kỷ trước Tháng 3/1896, ứng dụng y khoa công bố Một ảnh tia X cho thấy viên đạn nằm bàn tay bị thương, khác, vết thương chưa lành chân… Tháng 6/1896, Thomas Edison (Mỹ) quảng bá “máy chụp huỳnh quang” với tia X cực mạnh Người ta chụp đủ thứ máy chụp tia X (cả ngành hải quan vào sớm), công bố rộng rãi kết báo chí: riêng năm TIA X 1896 có 1.000 báo chung quanh chủ đề Riêng Hàn lâm viện khoa học Pháp TIA X có 108 thơng báo, phải kể tới thông báo Antoine Henri Becquerel tia vơ hình từ vật thể lân quang, mơ tả khám phá tượng phóng xạ ơng, đọc ngày 2/3/1896 (theo viết J.J Samueli trang web BibNum) Về lý thuyết, kỷ 20 chứng kiến nhiều cơng trình quan trọng liên quan tới tia X đáng kể khám phá chất sóng điện từ tia (nhà bác học Max von Laue), diện chúng tự nhiên: tia X chất với tia Gamma, sóng điện từ có tần số cực cao, gấp hàng triệu lần tần số ánh sáng tím Năm 1901, Rơnghen nhà vật lý học vinh dự nhận giải thưởng Nôben, với việc tìm tia X hay tia Rơnghen làm chấn động giới, mở thời đại cho phát triển khoa học – kĩ thuật Ngày nay, khắp giới, người ta không lạ với ảnh chụp phận bên thể, xương người bị tai nạn, nhằm tìm hiểu để chữa trị thương tật Những người bị nghi có bệnh phổi thường đưa chụp phổi xem có bị lao, ung thư v.v… Cả ngành khoa học mới, ngành ảnh y học (tiếng Anh: medical imaging) đời từ ảnh tia X đầu tiên, mở rộng sau với kỹ thuật vật lý khác (như ảnh cộng hưởng từ - Magnetic Resonance Imaging, viết tắt MRI), kết hợp với kỹ thuật số hoá kết đo đạc khả xử lý thơng tin tốn học sử dụng máy tính điện tử Nhiều ứng dụng khác mở ra, ngành tinh thể học tia X, thiên văn học tia X… công nghiệp, ngành chụp ảnh kỹ nghệ tia X để khám phá cấu trúc vật liệu cực nhỏ, hay vết rạn vỡ nằm sâu lòng máy móc 1.2.TÍNH CHẤT CỦA TIA X - Tia X khơng nhìn thấy Chúng lan truyền theo đường thẳng, bị khúc xạ, phân cực nhiễu xạ ánh sáng thường (ánh sáng nhìn thấy được) Hệ số khúc xạ tia X gần 1, cụ thể η = − δ , δ ≈ 10−6 kim loại - Tia X xuất điện tử (hoặc hạt mang điện khác proton) bị hãm vật chắn trình tương tác xạ γ với vật chất - Tia X xạ điện từ với bước sóng từ 0,1 đến 10 A Người ta quy ước chia xạ tia X thành loại sóng ngắn (bức xạ cứng) loại sóng dài (bức xạ mềm) Khả đâm xuyên tia X tăng theo tốc độ điện tử bị hãm TIA X + Tia X xuyên qua giấy, vải, gỗ, chí kim loại Tia X dễ dàng xuyên qua nhôm dày vài xentimét, lại bị lớp chì dày vài milimét chặn lại Do đó, người ta thường dùng chì để làm chắn tia X Tia X có bước sóng ngắn xun sâu, tức “cứng” + Tia X xuyên qua tạng thể theo nguyên lý: • Hiệu điện cao khả đâm xuyên mạnh • Khi xuyên qua vật chất, chiều dày tỷ trọng vật chất cao chùm tia X bị suy giảm nhiều • Trong thể người, xương đặc cản tia X mạnh, nhu mơ phổi chứa khơng khí nên tia X dễ xuyên qua • Số lượng tia X tạo tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện qua bóng X quang: cường độ dòng điện cao số lượng tia X nhiều - Tác động tia X làm đen phim giấy ảnh Bức xạ cứng (sóng ngắn) bị hấp thụ lớp cảm quang so với xạ mềm (sóng dài) tác động lên phim ảnh yếu Làm ion hóa khơng khí + Đo mức độ ion hóa khơng khí suy liều lượng tia X Rọi vào vật chất, đặc biệt kim loại, tia X bứt electron khỏi vật + Khi qua thể, tùy thuộc lượng lại mạnh hay yếu, tia X làm biến đổi muối bạc phim nhiều hay khác để tạo nên hình ảnh Đặc tính ứng dụng chụp phim X quang + Người ta phân tích xạ tia X thành phổ qua tinh thể Tinh thể bao gồm nguyên tử xếp không gian theo trật tự hoàn toàn xác định Do ảnh hưởng điện trường tia X điện tử nguyên tử trở thành tâm phát sóng cầu với bước sóng với bước sóng tia sơ cấp Các sóng cầu nguyên tử phát giao thoa nhau: chúng triệt tiêu theo hướng lại tăng cường theo hướng khác - Tia X có tác dụng làm phát quang nhiều chất Tia X làm phát sáng chất huỳnh quang đặt buồng tối - Tia X có tác dụng sinh lí mạnh TIA X 10 4.1.2 Hiệu ứng quang điện Khi phonton ban đầu va chạm electron nguyên tử với lượng lớn lượng liên kết electron quỹ đạo có nhiều khả electron tiếp thu toàn lượng photon nghĩa photon biến lượng truyền toàn cho electron để electron rời khỏi quỹ đạo nó, electron gọi quang electron hình (a), (b) Gọi ϕK lượng liên kết electron lớp K, tương tự cho ϕ L ϕM Khi electron lớp K thoát để lại lỗ trống lớp K ngun tử bị ion hóa, khơng trạng thái bền Hệ electron từ lớp kế cận có lượng liên kết thấp chuyển xuống lớp K để lắp đầy lỗ trống Sự khác lượng liên kết lớp (ϕK − ϕL ) sử dụng hồn tồn cho việc hình thành xạ đặc trưng hình (c) Một trình vật lý khác có khả tiêu thụ hồn tồn khác lượng liên kết sau trình tương tác phóng thích electron Auger Trong trường hợp khơng có tia X đặc trưng phát hình (d) Việc phóng thích electron Auger thường xảy nguyên tố nhẹ 4.1.3 Mép hấp thụ Từ kết trình hấp thụ quang điện, người ta nhận thấy hệ số hấp thụ khối lượng nguyên tố giảm dần lượng photon ban đầu tăng có nhiều điểm bất liên tục đường cong biểu diễn hệ số hấp thụ khối lượng theo lượng chùm tia tới Tại vị trí bất liên tục này, gọi mép hấp thụ trình quang điện xảy lượng dư để tạo điểm bất liên tục gọi lượng mép hấp thụ Vậy lượng mép hấp thụ lượng tới hạn để hiệu ứng quang điện xảy hay lượng đủ để đánh bật electron khỏi quỹ đạo Theo kết học lượng tử, số lượng tử (ví dụ: n = 1, 2, cho lớp K, L, M) thấp lượng cần thiết để đánh bật electron cao Vậy lượng cần thiết đánh bật electron tầng L nhỏ tầng K Điều có nghĩa lượng mép hấp thụ tầng K lớn tầng L Hình 4.3: Biểu diễn lượng photon kích thích khác lớp K L 4.1.4 Định luật Bragg – Pierce Từ số liệu thực nghiệm, ta thấy hệ số hấp thụ tia X hàm số bước sóng số nguyên tử Z Hệ số hấp thụ khối lượng µ dùng để định nghĩa hệ số hấp thụ khối lượng nguyên tử theo biểu thức sau: µa = µ / (NA/M) Với NA: số Avogadro, M: khối lượng nguyên tử vật hấp thụ Bragg Pierce chứng minh hệ số hấp thụ nguyên tử hai mép hấp thụ liên tục là: µa = C Z λ3 C: số đặc trưng cho vật hấp thụ mép hấp thụ Tương tự cho hệ số hấp thụ quang điện nguyên tử τ γ a = KZ λ a K: hệ số xác định thực nghiệm λ : bước sóng Hệ số hấp thụ khối lượng biểu diễn theo lượng: n µ = C Eabs λn = C Eabs (12,3981/E) E: lượng xạ điện từ Đối với ngun tử có Z