Phương pháp phổ tia x xác định nhiệt độ và khối lượng của các thiên hà

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VÕ THỊ MỘNG NGHI

PHƯƠNG PHÁP PHỔ TIA X XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ
VÀ KHỐI LƯỢNG CỦA CÁC THIÊN HÀ

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Nghệ An, 2018


2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VÕ THỊ MỘNG NGHI

PHƯƠNG PHÁP PHỔ TIA X XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ
VÀ KHỐI LƯỢNG CỦA CÁC THIÊN HÀ
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8440110

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học:
TS. TRỊNH NGỌC HOÀNG

Nghệ An, 2018


3

LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành luận văn này tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:
Q thầy, cơ giáo đào tạo và giảng dạy lớp Quang học-K24, cảm ơn Ban
chủ nhiệm khoa Vật lý và Cơng nghệ, Phịng đào tạo sau đại học, Ban lãnh đạo
Trường Đại học Vinh, Ban lãnh đạo Trường Đại học Kinh Tế Công Nghiệp Long
An. Những người luôn ủng hộ và giúp đỡ tôi nhiệt tình trong thời gian học tập và
làm luận văn này.
Thầy giáo TS. Trịnh Ngọc Hoàng là người trực tiếp chỉ bảo, góp ý kiến để
tơi hồn thành luận văn này. Tôi đã được học tập ở thầy rất nhiều kinh nghiệm
quý báu trong công tác nghiên cứu khoa học cũng như tiếp thu được nhiều kiến
thức trong công tác giảng dạy thông qua việc thầy hướng dẫn triển khai luận văn.
Cho tơi bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình và bạn bè, những người đã ln
giúp đỡ tơi vượt qua tất cả những khó khăn trong cuộc sống để hồn thành khố
học.
Xin chân thành cảm ơn !
Học viên

Võ Thị Mộng Nghi


4

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................5

DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................6
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. 8
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................9
Chương 1. PHỔ TIA X ..................................................................................................11
1.1. Lịch sử phát hiện tia X .......................................................................................11
1.2. Ống tia X và cơ chế tạo thành tia X ...................................................................11
1.2.1. Cơ chế tạo thành tia X .................................................................................11
1.2.2. Các ống tia X hiện đại ................................................................................13
1.3. Các tính chất của tia X........................................................................................15
1.4. Quang phổ tia X ..................................................................................................17
1.5. Phương pháp phổ tia X trong đời sống ............................................................... 20
1.5.1 Chụp X quang và ứng dụng điều trị của tia X trong y học........................... 20
1.5.2. Ứng dụng tia X trong công nghiệp chế tạo máy và bảo quản thực phẩm ...22
1.5.3. Phân tích mẫu quặng bằng tia X ..................................................................24
1.5.4. Trong an ninh – quốc phòng........................................................................25
Chương 2: PHƯƠNG PHÁP PHỔ TIA X XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ VÀ KHỐI
LƯỢNG CỦA CÁC THIÊN HÀ ..................................................................................29
2.1. Cơ chế phát tia X của các thiên hà .....................................................................29
2.2. Xác định nhiệt độ của các thiên hà bằng phương pháp phổ tia X ......................40
2.2.1. Nhiệt độ quang phổ trung bình ....................................................................40
2.2.2. Xác định nhiệt độ bằng mô phỏng............................................................... 41
2.2.3. So sánh các kết quả......................................................................................44
2.3. Xác định khối lượng của các thiên hà bằng phương pháp phổ tia X .................49
2.3.1 Tổng khối lượng của cụm thiên hà ............................................................... 49
2.3.2. Khối lượng khí và tỷ lệ khối lượng khí .......................................................53
KẾT LUẬN CHUNG ....................................................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 59


5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tiếng Anh

Nghĩa Tiếng Việt

K

Cathode

Âm cực

A

Anode

Dương cực

ICM

intracluster medium

Môi trường bên trong cụm thiên
hà

CT scan

Computed Tomography Scan

Chụp cắt lớp
Công nghệ tán xạ phản hồi tia X

TXPHTX
Bremsstrahlung

Bức xạ hãm

IDL

Interactive Data Language

Ngôn ngữ tương tác dữ liệu (hoặc
Ngôn ngữ lập trình)

XMMNewton

X-ray Multi-Mirror Mission

Đài quan sát vũ trụ tia X


6

DANH MỤC HÌNH VẼ
Tên hình vẽ

TT

Trang

1.1

Wilhelm Konrad Roentgen (1845-1923)

11

1.2

Sơ đồ nguyên lý ống tia X

13

1.3

Ống tia X năng lượng cao

14

1.4

Ống tia X với Anode quay

15

1.5

Sơ đồ mức năng lượng obitan tương ứng với tia X phát ra

18

1.6

Phổ tia X của kim loại Vonfram

20

1.7

Hình chụp hai bàn tay bằng tia X

21

1.8

Động cơ ô tô được chụp bằng tia X

23

1.9

Động cơ 3,5 lít, V6 của Ford.

23

Sơ đồ ngun lý máy dị ComScan450 (a) và Hình ảnh lính Hoa
1.10 Kỳ sử dụng máy dị kim loại để tìm các vũ khí và đạn dược ở
Iraq (b)

27

1.11

Máy phát hiện kim loại đặt tại sân bay Berlin-Schưnefeld (Đức)
để kiểm tra hành lý

28

2.1

Hình ảnh quang học của cụm thiên hà Abell 2218 (Hình ảnh từ
NASA)

31

2.2

Tia X phát ra từ cụm thiên hà

32

2.3

Cơ chế phát tia X do bức xạ hãm (bremsstrahlung)

33

2.4

Phổ tia X với năng lượng 2,4 keV

37

2.5

Quá trình phát xạ liên tục 2 photon từ trạng thái 1s 2s 1S0 trong
Kr tương tự He

38

2.6

Tương quan giữa nhiệt độ khí phát xạ và phổ tia X được đo bởi
vệ tinh HEAO

39

2.7

Các biểu đồ biểu thị nhiệt độ quang phổ trung bình Tspec thu
được từ các quan sát trên các vùng năng lượng khác nhau trong
quá trình khớp mơ hình với phổ tia X.

45


7

Các biểu đồ nhiệt độ quang phổ trung bình 𝑇𝑠𝑝𝑒𝑐 thu được từ các

2.8

quan sát trên các khoảng năng lượng khác nhau trong q trình
khớp mơ hình với phổ tia X.

46

2.9

Bản đồ Nhiệt độ của cụm thiên hà 5726 trong trường nhìn của
kính thiên văn XMM-Newton

47

2.10

Bản đồ nhiệt độ của cụm thiên hà 00010 trong trường nhìn của
kính thiên văn XMM-Newton

47

2.11

Bản đồ nhiệt độ của cụm thiên hà 25174 trong trường nhìn của
kính thiên văn XMM-Newton

48

2.12

Bản đồ nhiệt độ của cụm thiên hà 21926 trong trường nhìn của
kính thiên văn XMM-Newton.

48

2.13

Tổng khối lượng cụm xét các lát cắt năng lượng khác nhau trong
quá trình khớp phổ tia X.

51


8

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Bước sóng tia X của một số vật liệu khác nhau

12

2.1

Các thành phần cấu tạo nên cụm thiên hà

29

2.2

Nhiệt độ trung bình Tspec thu được từ việc khớp một mơ hình vào phổ
tia X quan sát được đối với các vùng năng lượng khác nhau.

42

2.3
2.4
2.5
2.6

Nhiệt độ trọng số phát xạ Tew và nhiệt độ quang phổ tương tự Tsl nhận
được từ các mô phỏng
Kết quả tốt nhất đã tính được về tổng khối lượng các cụm.

52

Nhiệt độ trọng số phát xạ Tew và tổng khối lượng các cụm 𝑀𝑠𝑖𝑚 thu
được từ các mô phỏng.
sim
Các giá trị khối lượng khí rút ra từ mơ phỏng M gas
, và các giá trị tính

obs
từ quan sát M gas

, cùng với sai số giữa hai đại lượng

Errorgas

43

.

54
55

Tỷ lệ khối lượng khí so với tổng khối lượng cụm thiên hà rút ra từ mơ
2.7

phỏng f gassim , và từ phân tích tia X, f gasobs

56


9

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong chương trình Vật Lí lớp 12, học sinh được tiếp thu kiến thức về
nguồn phát tia X do ống Rơnghen (Ống Cu-lit-giơ) phát ra. Các nhà khoa học còn
phát hiện ra các cụm thiên hà, khí nóng xung quanh cụm thiên hà cũng là nguồn
phát ra tia X rất mạnh. Ta biết trên Trái Đất dễ dàng xác định được khối lượng và
nhiệt độ của một vật nào đó. Nhưng ngồi vũ trụ, ta không thể nào đo trực tiếp
được nhiệt độ và khối lượng của các thiên hà. Bằng cách dùng dữ liệu từ các đài
quan sát thiên văn tia X( chẳng hạn XMM- Newton), vận dụng phương pháp phổ

tia X, chương trình IDL, phương pháp mơ phỏng ta có thể xác định được nhiệt độ
của các thiên hà ngoài vũ trụ.
Trong các phương pháp trên, dùng phương pháp phổ tia X cho kết quả nhanh
chóng và chính xác hơn các phương pháp khác. Đồng thời dựa vào kết quả về
nhiệt độ của các cụm thiên hà, các nhà khoa học còn xác định được khối lượng
của các thiên hà, khí nóng bao quanh cụm thiên hà.
Đó là lí do tơi chọn đề tài “Phương pháp phổ tia X xác định nhiệt độ và khối
lượng của các thiên hà” làm đề tài luận văn thạc sĩ của mình.

2. Mục đích nghiên cứu
Tìm hiểu cơ chế phát ra tia X, phổ tia X, ứng dụng của tia X trong đời sống
và xác định nhiệt độ và khối lượng của các thiên hà bằng phương pháp phổ tia X.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Luận văn tổng hợp và đưa ra những nhận định về các kết quả nghiên cứu
phương pháp phổ tia X để xác định khối lượng và nhiệt độ của các thiên hà.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
-

Tìm hiểu lịch sử phát hiện tia X và cơ chế phát tia X trong phịng thí nghiệm.

-

Tính chất của tia X và ứng dụng của tia X trong đời sống.

-

Quang phổ tia X và cơ chế phát tia X của cụm thiên hà.


10

-

Tổng hợp và đưa ra những nhận định về các kết quả nghiên cứu phương
pháp phổ tia X để xác định khối lượng và nhiệt độ của các thiên hà.

5. Các phương pháp nghiên cứu
-

Phương pháp tổng hợp và phân tích các tài liệu lý thuyết và thực nghiệm.

-

Phương pháp chuyên gia.

-

Phương pháp tra cứu, dịch thuật các tài liệu có liên quan.

6. Những đóng góp mới của đề tài
-

Tổng hợp, trình bày một cách hệ thống cơ chế phát tia X của cụm thiên hà.

-

Tổng hợp và đưa ra những nhận định về các kết quả nghiên cứu phương
pháp phổ tia X để xác định khối lượng và nhiệt độ của các thiên hà.

11

Chương 1. PHỔ TIA X
1.1. Lịch sử phát hiện tia X
Từ rất lâu, tia X đã được dùng để
phát hiện các vấn đề về xương, răng và
cơ quan nội tạng trong cơ thể người,
cũng như những khiếm khuyết kỹ thuật
trong các ngành cơng nghiệp, hay thậm
chí dùng để kiểm tra hành lý ở sân bay.
Mặc dù có rất nhiều ứng dụng như vậy,
nhưng việc phát hiện ra tia X lại chỉ là
một sự tình cờ. Cộng đồng khoa học và
y khoa thế giới sẽ mãi mang ơn khám

Hình 1.1: Wilhelm Konrad
Roentgen (1845-1923)
Wilhelm Konrad Roentgen (ở Việt Nam thường được gọi là Rơnghen).
phá tình cờ của nhà vật lý người Đức,

Tối ngày 8 tháng 11 năm 1895, sau khi rời phòng thí nghiệm một quãng,
sực nhớ quên chưa ngắt cầu dao điện cao thế dẫn vào ống tia cathode, Wilhelm
Konrad Roentgen quay lại phòng và nhận thấy một vệt sáng màu xanh lục trên
bàn tuy phịng tối om.
Với đầu óc nhạy bén, đầy kinh nghiệm của một nhà vật lý học, việc này đã
lôi cuốn ông và 49 ngày sau ông liên tục ở lỳ trong phịng thí nghiệm, mỗi ngày
ơng chỉ ngừng cơng việc nghiên cứu ít phút để ăn uống, vệ sinh và chợp mắt nghỉ
ngơi vài giờ. Nhờ thế, ơng đã tìm ra tính chất của thứ tia bí mật mà ơng tạm đặt
tên là tia X và mang lại cho ông giải Nobel về vật lý đầu tiên vào năm 1901.
1.2. Ống tia X và cơ chế tạo thành tia X

1.2.1. Cơ chế tạo thành tia X
Tia X hay tia Rơnghen là một dạng của sóng điện từ, có bước sóng trong
khoảng từ 0,01 đến 10 nm tương ứng với dãy tần số từ 3.1016 Hz đến 3.1019 Hz và


12

năng lượng từ 120 eV đến 120 keV. Bước sóng của nó ngắn hơn tia tử ngoại
nhưng dài hơn tia gamma.
Tia X sinh ra do một dịng electron có vận tốc cao tạo ra từ cathode chuyển
động đến và đập vào mặt một bia kim loại làm phát ra, tạo thành một chùm tia
mang năng lượng cao đi ra ngoài. Chùm tia đó chính là tia X, cịn bia kim loại là
anode.
Bia kim loại có thể chế tạo bằng các kim loại khác nhau, nên chùm tia X
phát ra có năng lượng khác nhau, tức là có bước sóng khác nhau như:
Bảng 1.1: Bước sóng tia X của một số vật liệu khác nhau.[3]
Vật liệu Nguyên tử Năng lượng Bước sóng
Anode
số
photon (KeV) tia X (nm)
W

74

59.3

0.0209

Mo

42

17.5

0.0709

Cu

29

8.05

0.154

Ag

47

22.2

0.0559

Ga

31

9.25

0.134

In

49

24.2

0.0512

Thiết bị dùng phát tia X gọi là ống tia X hay ống Rơnghen (hình 1.2), gồm
các bộ phận: một ống thủy tinh hay thạch anh kín có độ chân khơng cao, trong đó
có cathode (K) và anode (A). Độ chân không của ống đạt 10-6-10-7 mmHg.
Cathode là sợi đốt làm bằng dây vonfram, khi được đốt nóng nhờ một nguồn điện,
từ đây phát ra một chùm electron. Anode là một đĩa làm bằng vonfram hay platin
đặt nghiêng 450 so với phương truyền của chùm electron. Trên đĩa có thể gắn các
miếng kim loại khác nhau tùy theo yêu cầu. Điện áp đặt vào ống phát tia X rất cao
tùy thuộc vào kim loại làm cathode, ví dụ cathode làm bằng vonfram có thể vận
hành ở điện áp tới 100 kV.[2]


13

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý ống tia X
1.2.2. Các ống tia X hiện đại
Về mặt thương mại ống tia X có thể được chia thành 3 loại chính tùy theo
công suất của chúng:
Ống tia X năng lượng thấp (< 1 kW):
Cho đến gần đây các ứng dụng chính của ống tia X tiêu điểm nhỏ đã được
sử dụng trong chụp ảnh X-quang với độ phân giải không gian rất cao. Sơ đồ
nguyên lý của ống tia X năng lượng thấp cấu trúc như hình 1.6. Hiện nay, ống tia
X vi tiêu điểm đã được phát triển đáng kể nhờ có những tiến bộ mới nhất trong

tia X-quang học, chủ yếu là mao dẫn quang học. Tập trung nhiều mao dẫn quang
học (gọi là “ống kính tia X”) cho phép tập trung chùm tia vào những điểm nhỏ
(khoảng 10-100  m ) trên mẫu. Tuy nhiên, hiệu quả của mao dẫn quang học phụ
thuộc đáng kể vào kích thước nguồn. Nói chung, cần nguồn có kích thước xấp xỉ
cùng kích thước như vết tiêu mong muốn trên mẫu. Trong trường hợp này, một
sự kết hợp của năng lượng thấp với độ sáng cao của ống tia X với sự tập trung
mao dẫn cho phép đạt được cường độ như vậy trong một điểm nhỏ trên mẫu mà
chỉ đạt được với ống năng lượng cao mà khơng có mao dẫn quang học. Hiện nay
trên thực tế phải trang bị ống tiêu điểm với sự hội tụ quang học thích hợp khơng
thể thiếu cho hoạt động phân tích huỳnh quang tia X.
Năng lượng đặc trưng của ống tia X tiêu điểm (trong Watt) có thể ước tính


14

thơng qua đường kính.
Ống tia X năng lượng cao (1-5 kW):
Ống tia X năng lượng cao được sản xuất bởi một số nhà sản xuất:
PANalytical, Pantak, Siemens, RTW Rontgen-Technik, Varian vv.... Các ống Xquang thường được làm mát bằng nước. Điện áp tối đa có thể lên đến 60-120kV.
Các loại tiêu điểm nhỏ: loại bình thường (1mmx10mm), loại tốt (0,4mx8mm),
loại dài (0,4mmx12mm) hoặc loại rộng (2mmx12 mm). Dưới góc Anode 60 tiêu
điểm quang học là giảm hiệu suất theo một hướng với hệ số 10. Tùy thuộc vào
góc tới nó dẫn đến một điểm tập trung hay tập trung dòng. Ví dụ, kích thước của
tiêu điểm tập trung có thể là 0.4mmx0.8mm (điểm tùy chọn) hoặc 0,04mm x 8mm
(dòng tùy chọn). Tiêu chuẩn của các ống tìm thấy trong phân tích huỳnh quang
tia X và nhiễu xạ tia X.

Hình 1.3: Ống tia X năng lượng cao
Ống tia X năng lượng cao với anode quay:
Ống anode quay cho phép có được giá trị năng lượng cao. Các tiến bộ của

vài năm qua bị chi phối chủ yếu bởi sự phát triển mạnh mẽ là nguồn tia X cho các
ứng dụng y tế. Phải nhắc đến loại OPTILIX của ống X-quang được sản xuất bởi
Siemens. Tùy thuộc vào điều kiện sử dụng, những ống này có thể hoạt động ở
điện áp cao lên đến 150kV và đạt được công suất tối đa lên đến 80kW. Các đĩa


15

anode được làm bằng vonfram rheni kết hợp với môlipđen và than chì. Các tiêu
điểm khoảng từ 0,2mm và 2mm. Lĩnh vực ứng dụng thơng thường là chuẩn đốn.
Ồng với chuẩn trực nhỏ (0,2-0,3mm) rất thích hợp cho việc hiển thị tốt chi tiết.
Ống với chuẩn trực lớn và công suất tối đa được sử dụng cho khoảng thời gian
tiếp xúc ngắn liên quan đến tải trọng cao.
Đối với nhiễu xạ X-quang, công ty Rigaku đã phát triển một máy phát điện
tia X siêu công suất với sản lượng lên đến 60kV và 1500mA. Việc lắp ráp cực
dương quay bao gồm bia Cu (tùy chọn: Cr, Fe, Co, Ni, Mo, Ag, Au). Các kích
thước tập trung sẵn có là 1mmx 10 mm, 0.3mmx3mm và 0.1mmx 1mm.

Hình 1.4: Ống tia X với Anode
1.3. Các tính chất của tia X
Bằng thực nghiệm và lý thuyết người ta tổng hợp các tính chất của tia X
như sau:
- Tia X khơng nhìn thấy được. Chúng lan truyền theo đường thẳng, bị khúc
xạ, phân cực và nhiễu xạ như ánh sáng thường (ánh sáng nhìn thấy được). Hệ số
khúc xạ của tia X gần bằng 1, cụ thể  1 , trong đó =10-6 đối với kim loại.
- Tia X xuất hiện khi các điện tử (hoặc các hạt mang điện khác như proton)
bị hãm bởi một vật chắn và trong quá trình tương tác giữa các bức xạ  với vật
chất.

16

- Tia X chính là bức xạ điện từ với bước sóng từ 0,1 đến 10 2A0. Người ta
quy ước chia bức xạ tia X ra thành loại sóng ngắn (bức xạ cứng) và loại sóng dài
(bức xạ mềm). Khả năng đâm xuyên của tia X tăng theo tốc độ của các điện tử bị
hãm.
- Tia X có cường độ lớn do đó có khả năng đâm xuyên qua được giấy, vải,
gỗ, thậm chí cả kim loại nữa. Tia X dễ dàng đi xuyên qua tấm nhôm dày vài
xentimét, nhưng lại bị lớp chì dày vài milimét chặn lại. Do đó, người ta thường
dùng chì để làm các màn chắn tia X. Tia X có bước sóng càng ngắn thì càng xuyên
sâu, tức là càng “cứng”.
- Tia X có thể xuyên qua các tạng của cơ thể theo nguyên lý: Hiệu điện thế
càng cao thì khả năng đâm xuyên càng mạnh; Khi xuyên qua vật chất, nếu chiều
dày và tỷ trọng của vật chất càng cao thì chùm tia X bị suy giảm càng nhiều; Trong
cơ thể con người, xương đặc cản tia X mạnh, như mô phổi chứa không khí nên tia
X dễ xuyên qua; Số lượng tia X tạo ra tỷ lệ thuận với cường độ của dòng điện đi
qua bóng X quang: cường độ dịng điện càng cao thì số lượng tia X càng nhiều.
- Tác động của tia X làm đen phim và giấy ảnh. Bức xạ cứng (sóng ngắn)
bị hấp thụ trong lớp cảm quang ít hơn so với bức xạ mềm (sóng dài) vì vậy tác
động lên phim ảnh cũng yếu hơn.
- Tia X làm ion hóa khơng khí. Đo mức độ ion hóa của khơng khí có thể
suy ra được liều lượng tia X. Rọi vào các vật chất, đặc biệt là kim loại, tia X cũng
bứt đƣợc electron ra khỏi vật.
- Khi đi qua cơ thể, tùy thuộc năng lượng còn lại mạnh hay yếu, tia X sẽ
làm biến đổi muối bạc trên phim nhiều hay ít khác nhau để tạo nên hình ảnh. Đặc
tính này đƣợc ứng dụng trong chụp phim X quang.
- Người ta có thể phân tích bức xạ tia X thành phổ khi đi qua các tinh thể.
Tinh thể bao gồm các nguyên tử sắp xếp trong không gian theo một trật tự hoàn
toàn xác định. Do ảnh hưởng của điện trường của tia X điện tử của nguyên tử trở
thành các tâm phát sóng cầu với bước sóng bằng với bước sóng của tia sơ cấp.

17

Các sóng cầu do các nguyên tử phát ra giao thoa nhau: chúng triệt tiêu nhau theo
hướng này nhưng lại tăng cường nhau theo hướng khác.
- Tia X có tác dụng làm phát quang nhiều chất. Tia X làm phát sáng chất
huỳnh quang đặt trong buồng tối. Người ta ứng dụng đặc tính này để chế tạo máy
chiếu X quang: tùy mức độ cản tia X khác nhau của từng bộ phận, năng lượng của
tia X còn lại sau khi đi qua cơ thể sẽ tác động lên màn huỳnh quang (đặt trong
buồng tối) với mức độ khác nhau để tạo nên hình ảnh.
- Tia X có tác dụng sinh lí mạnh. Tia X có tác dụng hủy hoại các tế bào
ung thư: được sử dụng trong X quang điều trị (radiotherapy). Với liều cao kéo dài,
tia X có tác dụng làm biến đổi một số cấu trúc của các tế bào non, những tế bào
kém biệt hoá như: tinh trùng, tế bào tủy xương. Đặc biệt tia X làm biến đổi nhiễm
sắc thể của nhân tế bào gây những đột biến về di truyền. Do đó đối với phụ nữ có
thai trong những tháng đầu tuyệt đối khơng được chụp, chiếu X quang. Đối với
nhân viên X quang cần có các biện pháp an tồn phóng xạ khi làm việc.
- Tia X có khả năng gây ra các phản ứng hỗn hợp làm biến màu một số
muối. Ví dụ muối bạc (màu trắng) dưới tác dụng của tia X chuyển thành màu đen.
Người ta sử dụng tính chất này làm phim chụp.
1.4. Quang phổ tia X
Khi chùm electron có động năng lớn chuyển động đập vào bia kim loại, các
electron này có thể đi sâu vào các obitan bên trong và làm bật electron nằm ở
obitan nguyên tử ra khỏi vị trí của nó tạo ra chỗ trống. Sau đó các electron ở obitan
bên ngồi nhảy vào các chỗ trống này, phát ra bức xạ tương ứng với mức năng
lượng:
E  En1  En2

(1.1)

với En , En là năng lượng của electron ở obitan n2 và n1
2

1

Ví dụ chùm electron ban đầu đập vào electron ở obitan K làm nó bật ra, sau
đó electron ở các obitan phía ngồi nhảy vào chỗ trống ở obitan K, bức xạ phát ra


18

( tia X) được gọi là bức xạ K. Electron từ obitan L, M nhảy vào obitan K thì bức
xạ phát ra có ký hiệu K , K  ...Khi electron từ ngồi nhảy vào obitan L thì bức xạ
phát ra có kí hiệu L , L ... Obitan L có một số mức năng lượng khác nhau một ít là
L1, L2, L3 cho nên các bức xạ K còn phân biệt K , K , K .[2]
1

N

M
 


L



 i

2

3

4,f,7/2
4,f,5/2
4,d,5/2
4,d,3/2
4,p,3/2
4,p,1/2
4,s,1/2
3,d,5/2
3,d,3/2
3,p,3/2
3,p,1/2
3,s,1/2

 

2,p,3/2
2,p,1/2
2,s,1/2

 

 
1,s,1/2
Dãy K

Dãy L

Hình 1.5: Sơ đồ mức năng lượng obitan tương ứng với tia X phát ra
Năng lượng E được tính dựa theo sự thay đổi mức năng lượng giữa các
obitan. Năng lượng của các electron ở các obitan được tính theo phương trình:
2 2 me4 Z 2
En  
. 2
h2
n

(1.2)

Ở đây: m là khối lượng electron, e là điện tích của electron, h=6,6256.10 -27
erg.s: là hằng số Planck, n là số lượng tử chính và cũng là số thứ tự của obitan, Z
là số thứ tự nguyên tử. Do đó:


19

E  En1  En2  

2 2 me4 1 1
( 2  2 ).Z2  h.
h2
n1 n2

(1.3)

Suy ra:
2 2 me4 1 1

( 2  2 ).Z2
3
h
n2 n1



( 1.4)

Vì tốc độ ánh sáng c   . nên ta có:
1







(1.5)

c

2 2 me4 1 1
( 2  2 ).Z2
Từ (1.4) suy ra: 
3

hc
n2 n1
1

Đặt R 

(1.6)

2 2 me4
, Ta có:
h 3c
1
1 1
 R( 2  2 ).Z2

n2 n1

(1.7)

R là hằng số Rydberg.
Theo Mosley (Anh) thì giữa chiều dài sóng  của tia X phát ra và số thứ
tự của nguyên tử bị kích thích có mối liên quan với nhau theo biểu thức:
1





a
(Z   )2
c

ở đây c là tốc độ ánh sáng, a là hằng số, Z là số thứ tự nguyên tử,

(1.8)

 là hằng

số phụ thuộc vào dãy phổ (ví dụ vạch K , K , L , L ...). Phương trình (1.8) chỉ ra
rằng  liên quan với số thứ tự nguyên tử chứ không phải khối lượng nguyên tử.
Mối liên hệ giữa  và Z có thể biễu diễn gần đúng theo biểu thức sau:


A
Z2

(1.9)

Ở đây A là hằng số đối với mỗi dãy K, L, M... ví dụ với dãy K thì A bằng
1300 và:


1300
Z2

(1.10)


20

Trên hình (1.6) chỉ ra phổ tia X của bia kim loại vonfram. Phổ tia X liên
tục phát ra từ bia vonfram tương ứng với bốn giá trị khác nhau của năng lượng e
tương tác.

Hình 1.6: Phổ tia X của kim loại Vonfram
1.5. Phương pháp phổ tia X trong đời sống
1.5.1 Chụp X quang và ứng dụng điều trị của tia X trong y học
Tia X có khả năng xuyên qua nhiều vật chất nên trong y học thường được
dùng để chuẩn đốn cấu trúc xương. Hình ảnh của các tổ chức trong cơ thể được
phản ánh trên màn huỳnh quang. Trong phương pháp này nhân viên X quang ngồi
sau màn hình và quan sát hình ảnh phủ tạng của bệnh nhân trên màn hình. Chẳng
hạn, chụp tia X khảo sát lồng ngực để chẩn đoán bệnh về phổi như là viêm phổi,
ung thư phổi hay phù nề phổi, và khảo sát vùng bụng, có thể dị ra sự tắc ruột (tắc
ống thực quản), tràn khí (từ lủng nội tạng), tràn dịch (trong các khoang bụng).


21

Hình 1.7: Hình chụp hai bàn tay bằng tia X
Ngày nay với việc áp dụng màn tăng sáng, hình ảnh sẽ được tăng độ đậm
nhạt, hình ảnh rõ nét hơn và giảm được liều chiếu xạ cho bệnh nhân và cho nhân
viên. Đặc biệt, khi hình ảnh truyền qua một máy thu hình, cán bộ X quang có thể
ngồi tại một phòng khác, được che chắn tốt mà vẫn chẩn đốn được qua hình ảnh.
Thường có 2 phương pháp được ứng dụng trên lâm sàng: Chụp X quang
thường và chụp cắt lớp vi tính (CT scan).
Chụp X quang thường: Hình ảnh của các bộ phận được phản ánh một cách
đơn giản hoặc bị chồng lấp, khơng thấy hết được kích thước, chiều sâu, độ lớn
của các bộ phận và các tổn thương trong cơ thể, thường để phát hiện các tổn
thương xương và các tổ chức cản quang.
Chụp cắt lớp: Một nguồn X quang chiếu qua người bệnh tới hệ thống các
đầu dị có định hướng. Hệ thống đầu dị được quay quanh cơ thể, hình ảnh thu
được sẽ là hình ảnh cắt lớp, phương pháp này làm rõ được các chi tiết mà trong
chụp X quang thông thường bị chồng lấp, vì vậy có thể phát hiện được những khối

u ở sâu.[1]
Trong điều trị, tia X được ứng dụng chủ yếu cho những bệnh nhân bị ung
thư. Dựa vào tác dụng sinh lý của tia X, có khả năng diệt tế bào mà người ta áp
dụng một phương pháp có tên “Xạ trị”.
Xạ trị được dùng chủ yếu trong điều trị ung thư. Do tế bào ung thư có độ
nhạy cảm phóng xạ lớn hơn tế bào lành, do đó dùng tia X chiếu vào các khối u ác


22

tính để làm biến đổi trạng thái hoạt động, hạn chế sự phát triển dẫn đến tiêu diệt
hoàn toàn các tế bào ung thư. Mục tiêu là phải đưa một liều xạ mạnh vào nơi ung
thư mà không gây thương tổn cho mô lành xung quanh.
Yêu cầu phải đạt tới liều hấp thu vài chục Gray và phải chiếu phân đoạn
thành nhiều liều nhỏ. Chiếu phân đoạn là rất cần thiết, vừa ít gây tai biến, vừa
nâng cao hiệu lực điều trị. Phương pháp đơn giản là dùng X quang khoảng 200kV,
nhưng khi khối u ở hơi sâu thì phần da sẽ bị chiếu với liều cao hơn ở khối u. Trong
trường hợp này nên dùng bức xạ mạnh có khả năng xuyên sâu. Ví dụ: X quang
năng lượng cao khoảng 6 MeV.
Bên cạnh đó chọn năng lượng thích hợp, cần giảm bớt liều chiếu xạ ở mô
lành bằng cách chiếu từ nhiều phía, hướng vào khối u. Với những máy hiện đại,
có thể dùng nguồn xạ quay liên tục quanh khối u để điều trị. Nhưng vậy khối u bị
chiếu liên tục nhưng liều ở phần mềm lành bên ngồi được dàn trải nên liều xạ
từng chỗ khơng lớn. [1]
1.5.2. Ứng dụng tia X trong công nghiệp chế tạo máy và bảo quản thực phẩm
Thơng thường, khi nói về tia X, người ta thường nghĩ về những đoạn xương
gãy trên phim chụp của các bác sĩ, nhưng giờ đây, tia X năng lượng cao còn giúp
các kỹ sư chế tạo máy thực hiện cơng việc nhanh chóng và hiệu quả hơn. Các kỹ
sư của Ford Motor đã ứng dụng tia X năng lượng cao trong quá trình chế tạo và
nghiên cứu động cơ, giúp nâng cao độ bền, giảm trọng lượng và tiết kiệm nhiên

liệu. Loại tia X năng lượng cao này sinh ra từ điện thế lên tới 9 triệu vơn.
Cùng có ngun lý hoạt động cơ bản, nhưng tia X trong y tế sinh ra từ điện
thế 150.000 V (đủ nhìn thấy vết nứt trên xương và xuyên qua tấm thép dày 6 mm),
còn tia X mà các kỹ sư của Ford sử dụng sinh ra từ điện thế 9 triệu V, giúp họ
phân tích các chi tiết có độ dày tới 500 mm, nghĩa là gấp 80 lần so với thông
thường.


23

Hình 1.8: Động cơ ơ tơ được chụp bằng tia X
Trên thực tế, điện thế 9 triệu V là kỳ công của một tổ chức cá nhân, không
kể tới các phịng thí nghiệm qn sự. Nếu như các bác sĩ chụp tia X chỉ cần dùng
tấm chì mỏng là đủ bảo vệ sức khoẻ thì các kỹ sư của Ford phải giấu mình sau
bức tường xi-măng dày tới 2,4 mét.
Tia X năng lượng cao trợ giúp các kỹ sư trong quá trình chế tạo những bộ
phận của động cơ 3,5 lít V6 mới mà Ford giới thiệu ngày 9/11/2005. Ảnh X quang
giúp các kỹ sư tìm ra những điểm cục bộ có độ mềm khơng mong muốn trong
khối máy nhơm đúc, chủ yếu do q trình làm lạnh có tốc độ hạ nhiệt không ổn
định. Thông tin về các điểm này sau đó được nghiên cứu và giải quyết nhằm nâng
độ bền ở mức cao nhất có thể. Hơn nữa, những vùng không cần nhiều độ cứng
được "bớt" lượng hợp kim đi để giảm trọng lượng động cơ, nâng cao hiệu suất sử
dụng nhiên liệu tổng thể.

Hình 1.9: Động cơ 3,5 lít, V6 của Ford.


24

Các kỹ sư phân lớp hình ảnh tia X thành mẫu giả định khơng gian 3 chiều

trên máy tính và dùng phần mềm thử nghiệm độ bền, dòng lưu thể, độ ồn, độ rung,
độ ráp của bất cứ bộ phận nào. Ví như, các kỹ sư tạo nên bộ góp khơng gian 3
chiều trên máy tính, sau đó kiểm tra và ghi nhận lưu lượng khí. Dựa trên các số
liệu ghi được, họ hiệu chỉnh các thơng số để có tốc độ khí tối ưu nhằm nâng cao
tính năng động cơ.
Sau tất cả các giai đoạn định hình, kiểm tra, những thông số tối ưu nhất
được tập hợp lại và đưa sang bộ phận sản xuất. Những cải tiến công nghệ này giúp
các kỹ sư chế tạo những động cơ bền hơn, nhẹ hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn.
Trong công nghiệp chế biến và bảo quản nông hải sản, tia X sẽ xuyên thấu
qua bao bì sản phẩm và tiêu diệt mọi vi sinh có hại trong sản phẩm. Với cơng
nghệ này, nó đảm bảo tính an tồn và giữ nguyên vẹn chất lượng sản phẩm, đồng
thời kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm. Tất cả các loại sản phẩm qua dây chuyền
diệt khuẩn bằng tia X không làm thay đổi đặc tính về nhiệt độ, mùi vị, màu sắc…,
làm chậm q trình chín, nảy mầm ở một số loại nơng sản.
1.5.3. Phân tích mẫu quặng bằng tia X
Một máy dị sử dụng tia X có thể được sử dụng bởi ngành cơng nghiệp khai
thác khống sản nhằm phát hiện các khoáng chất hiện diện trong mẫu quặng một
cách nhanh chóng và chính xác. Thiết bị có kích cỡ một con tem bưu chính, được
phát triển bởi các nhà nghiên cứu ở Tổ chức Nghiên cứu Công nghiệp và khoa
học (CSIRO) ở châu Úc, sử dụng photon đếm để tạo ra hình ảnh có độ phân giải
cao của các khoáng chất. Mặc dù kỹ thuật chụp X-quang từ lâu đã được sử dụng
để phân tích hình ảnh các mẫu quặng khống sản, với sắc thái màu xám mơ tả mật
độ của các thành phần khác nhau, tuy nhiên, những hình ảnh này khơng giúp xác
định các thành phần khống chất chính xác như hiện nay.
Với thiết bị này, ống X-ray bắn chùm tia xuyên qua mẫu quặng và một cảm
biến gắn ở phía bên kia mẫu quặng sẽ thể hiện về mức độ suy giảm năng lượng
của chùm tia X-quang đi xuyên qua mẫu quặng. Chẳng hạn, vàng sẽ làm thay đổi


25

quang phổ của tia X quang truyền qua nó khác hơn so với niken hoặc molypđen.
Thiết bị này sau đó sẽ chụp hình ảnh chi tiết các thành phần khống chất có trong
mẫu quặng, hình ảnh thu được sẽ có màu sắc tương ứng với các khống chất có
trong mẫu quặng.
"Cho đến nay điều này đã được thực hiện chủ yếu là sử dụng chức năng
quét kính hiển vi điện tử", theo Tiến sĩ Josef Uher, làm việc tại Tổ chức Nghiên
cứu Công nghiệp và khoa học (CSIRO). Lấy mẫu quặng, đặt nó trong nhựa dẻo,
làm một hình trụ có chứa các mẫu quặng nhỏ bên trong, cắt một nửa hình trụ, đánh
bóng bề mặt và sau đó nhìn vào bề mặt bằng kính hiển vi điện tử. Các thao tác
này phải mất nhiều giờ.
Thiết bị này có thể cung cấp hình ảnh của các mẫu quặng gần như tức thời
phục vụ cho cơng tác giám sát và kiểm sốt trong ngành công nghiệp khai thác
mỏ. Đây là thành quả của sự phối hợp thiết kế của một số trường đại học và phịng
thí nghiệm dưới sự chỉ đạo của Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN).
Các nhà nghiên cứu làm việc tại Tổ chức Nghiên cứu Công nghiệp và khoa
học (CSIRO) cũng đang tìm kiếm cách thức sử dụng quang phổ học phân tích cảm
ứng laser (LIBS) để đẩy nhanh q trình phân tích tại chỗ chất lượng quặng tại
các khu mỏ.
1.5.4. Trong an ninh – quốc phịng
Tia X dùng để phát hiện tội phạm:
Nhóm nghiên cứu của Jacob Trombka, Trung tâm Goddard của NASA ở
Greenbelt (Mỹ), đã dựa trên nguyên lý hoạt động của thiết bị chụp tia X để thiết
kế "chiếc máy dị tội phạm".
Ðó là cơng trình của Jacob Trombka ở Trung tâm Goddard của NASA. Máy
tia X này rất nhỏ gọn, đã thiết kế dựa theo máy tia X gắn trên tàu không gian
NEAR. Nguyên lý của phép phân tích là chiếu chùm tia X vào mẫu nghiên cứu,
tia X kích thích các nguyên tử của mẫu phát ra bức xạ tia X đặc trưng. Căn cứ vào
cường độ và bước sóng của các tia X đặc trưng này có thể biết chính xác những