Chuyên đề Vật lí 12 Cánh diều Bài 1. Tia X và tạo ảnh bằng tia X có đáp án

Tia X là những bức xạ điện từ có bước sóng trong khoảng 10$^{-11}$ m đến 10$^{-8}$ m.

Tia X giúp tạo ra hình ảnh thể hiện các cấu trúc của cơ thểbằng cách chụp ảnh X-quang tạo ra hình ảnh X-quang giúp chẩn đoán các bệnh lí liên quan đến xương, cơ, nội tạng,…

Ống tia X có cấu tạo gồm một ống chân không, trong ống có hai điện cực. Cực âm (cathode) là dây điện trở được đốt nóng để phát các electron. Đối diện với cực âm là cực dương (anode), ở cực dương có đối cathode được làm bằng kim loại có nguyên tử lượng lớn và nhiệt độ nóng chảy cao như tungsten.

Hiệu điện thế giữa anode và cathode có thể lên đến hàng trăm kilôvôn. Dưới tác dụng của hiệu điện thế này, chùm electron phát ra từ cathode dược tăng tốc và có động năng rất lớn. Khi đập vào đối cathode, các electron có tốc độ cao này bị giảm tốc đột ngột sẽ làm phát ra các tia X theo mọi hướng. Một phần tia X đi qua cửa sổ của ống tia X ra không gian bên ngoài ống.

Cấu tạo của ống tia X đơn giản:

- Một ống chân không, trong ống có hai điện cực âm.

- Cực âm (cathode) là dây diện trở được đốt nóng để phát ra các electron.

- Cực dương (anode), ở cực dương có đối cathode được làm bằng kim loại có nguyên tử lượng lớn và nhiệt độ nóng chảy cao như tungsten.

- Một hiệu điện thế giữa anode và cathode.

a) Tính chất nổi bật và quan trọng nhất của tia X là khả năng đâm xuyên. 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 và kim loại thì nó đi qua khó hơn, và kim loại có nguyên tử lượng càng lớn thì tia X càng khó xuyên qua. Chẳng hạn, một chùm tia X có thể đi qua một tấm nhôm dày vài xentimét, nhưng lại bị chặn bởi một tấm chì dày vài milimét. Vì vậy, chì thường được dùng làm tấm chắn bảo vệ cho người sử dụng tia X.

Tia X có bước sóng càng ngắn thì khả năng đâm xuyên càng lớn; ta nói là nó càng cứng.

b) Tia X làm đen kính ảnh nên trong y tế, người ta thường chụp điện thay cho quan sát trực tiếp bằng mắt.

c) Tia X làm phát quang một số chất ; ví dụ : platinô - xianua - bari. Vì vậy, chất này được dùng làm màn quan sát khi chiếu điện.

d) Tia X làm ion hoá không khí. Đo mức độ ion hoa của không khí có thể suy ra được liều lượng tia X. Rọi vào các vật, đặc biệt là kim loại, tia X cũng bứt được êlectron ra khỏi vật.

e) Tia X có tác dụng sinh lí: nó huỷ diệt tế bào. Vì vậy người ta dùng tia X để chữa trị ung thư nông.

Công thức (1.4) không được dùng cho chùm tia X phân kì. Bởi vì: công thức (1.4) chỉ dùng cho chùm tia song song. Nếu chùm tia không song song thì cường độ sẽ thay đổi ngay cả khi không có bất kì sự hấp thụ nào.

Chùm tia phân kì có hình ảnh như sau:

a) Độ dày của tấm đồng cần có để cường độ chùm tia X song song truyền qua nó giảm 50% là: $I = {I_0}{e^{ - \mu x}} \Rightarrow 50\% .{I_0} = {I_0}{e^{ - \mu x}} \Rightarrow x \approx 1mm$

b) Phần trăm cường độ của chùm tia song song truyền qua một tấm đồng dày 1,2 cm là: $\frac{I}{{{I_0}}} = {e^{ - \mu x}} = {e^{ - 0{,}693.12}} = {2{,}4.10^{ - 4}} \Rightarrow I = 0{,}024\% {I_0}$

Vì vậy, một nguồn tạo tia X tốt phải tạo ra một chùm tia X song song, hẹp. Muốn thực hiện được điều này thì độ rộng của chùm electron do máy tạo ra phải hẹp. Ngoài ra, cần điều chỉnh kích thước của khẩu độ tại cửa số thoát tia X bằng cách sử dụng các tấm chì có thể điều chỉnh độ rộng của chùm tia X. Khi chụp X-quang, một số tia X sau khi đi qua cơ thể bị tán xạ (lệch một góc so phương ban đầu). Nếu các tia X này tới được bộ phận thu nhận tín hiệu sẽ làm giảm độ sắc nét của hình ảnh. Để cải thiện độ rõ nét của hình ảnh, người ta sử dụng một tấm chống tán xạ để hấp thụ chúng. Tấm chống tán xạ được làm bằng vật liệu mà tia X khó có thể xuyên qua (chẳng hạn như chì), đan xen với vật liệu mà tia X dễ dàng đi qua (chẳng hạn như nhôm). Tấm chống tán xạ tia X được đặt ngay phía trên của máy thu tín hiệu, nhờ đó chì sẽ hấp thụ các tia X tán xạ, không cho phép các tia X này tới bộ phận nhận tín hiệu.

Với một người bị chấn thương sọ não do tai nạn giao thông, chụp CT thích hợp hơn chụp tia X vì:

- Chụp CT thì chụp được nhiều góc độ khác nhau, giúp bác sĩ quan sát rõ ràng các cấu trúc của hộp sọ hơn, từ đó chẩn đoán hiệu quả hơn. Chụp tia X thì chỉ tạo ra hình ảnh hai chiều, hạn chế khả năng hiển thị chi tiết bên trong hộp sọ nên việc chẩn đoán cũng cần dựa vào nhiều yếu tố để đưa ra kết quả chính xác.

- Quá trình chụp CT nhanh chóng, giúp bác sĩ chẩn đoán kịp thời khi bệnh nhân trong tình trạng cấp cứu. Chụp tia X lâu hơn so với chụp CT.

- Hình ảnh được tạo bằng tia X: hình ảnh trắng đen, hiển thị các cấu trúc bên trong cơ thể theo mật độ của chúng, hình ảnh 2 chiều.

- Hình ảnh được tạo bằng chụp CT: hình ảnh chi tiết hơn, đa chiều, hiển thị các cấu trúc có nhiều góc độ khác nhau.

Ứng dụng của tia X:

- Dùng trong nghiên cứu cấu trúc vật rắn, các ngôi sao, lỗ đen,… VD: kính thiên văn tia X là thiết bị quan sát các đối tượng thiên văn.

- Tia X dùng kiểm tra chất lượng các vật đúc, giúp tìm các vết nứt, các bọt khí bên trong các vật bằng kim loại,…

- Tia X dùng trong kiểm tra an linh: ở sân bay,… giúp phát hiện các chất cấm khi cần thiết.

- Tia X dùng trong y học để tạo hình ảnh giúp chẩn đoán bệnh lí.