Lịch sử của khoa học hiện đại không hiếm những khoảnh khắc mang tính bước ngoặt, nhưng ít có sự kiện nào thay đổi thế giới một cách sâu sắc như việc phát hiện ra tia X vào cuối thế kỷ 19. Được coi là một trong những thành tựu quan trọng nhất của vật lý học thực nghiệm, tia X như một công cụ mở ra bức màn che phủ thế giới hữu hình, cho phép con người lần đầu tiên nhìn thấu vật chất mà không cần phá hủy cấu trúc của nó. Từ một hiện tượng kỳ lạ phát ra từ các ống chân không trong phòng thí nghiệm của Wilhelm Conrad Röntgen, tia X đã nhanh chóng trở thành yếu tố không thể thiếu, thúc đẩy sự ra đời của y học chẩn đoán, tinh thể học phân tử, thiên văn học năng lượng cao và hàng loạt các ứng dụng công nghiệp tinh vi khác.
Tối ngày 8/11/1895, Wilhelm Conrad Röntgen, giáo sư vật lý tại Đại học Würzburg, Bavaria, đang tiến hành các thí nghiệm với ống tia cathode (loại ống Crookes/Hittorf) được bọc kín hoàn toàn trong một lớp bìa cứng đen dày để ngăn ánh sáng khả kiến thoát ra ngoài. Trong phòng thí nghiệm tối, ông nhận thấy một tấm màn huỳnh quang phủ platinobarium đặt cách đó vài mét bỗng nhiên phát ra ánh sáng màu xanh lá cây rực rỡ mỗi khi dòng điện cao thế đi qua ống. Röntgen nhận ra đó là một loại bức xạ vô hình mới, có khả năng đâm xuyên qua lớp bìa cứng mà ngay cả ánh sáng mạnh nhất cũng không thể vượt qua. Ông gọi chúng là “tia X” để nhấn mạnh bản chất chưa xác định của chúng vào thời điểm đó.
Khám phá này không phải là kết quả của một kế hoạch định sẵn mà là sự tình cờ từ một thực nghiệm và khả năng nhận diện trước một hiện tượng bất thường. Trong suốt 6 tuần tiếp theo, Röntgen đã tự giam mình trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu các đặc tính của loại tia này, quan sát thấy chúng có thể đi xuyên qua sách, gỗ và ngay cả những tấm kim loại mỏng, nhưng bị chặn lại bởi chì và xương. Đỉnh điểm của quá trình nghiên cứu này là bức ảnh X-quang đầu tiên của nhân loại: hình ảnh xương bàn tay của vợ ông, bà Anna Bertha Ludwig. Khi nhìn thấy bộ xương của chính mình và chiếc nhẫn cưới trên phim, bà đã thốt lên một câu nói nổi tiếng: “Tôi đã nhìn thấy cái chết của chính mình!”, phản ánh sự chấn động tâm lý sâu sắc trước khả năng mà tia X mang lại.
Tin tức về khám phá này đã lan rộng với tốc độ chóng mặt. Chỉ trong vòng vài tuần sau khi bài báo “Một loại tia mới” được công bố vào cuối tháng 12/1895, tia X đã được áp dụng vào thực tế y tế. Đến năm 1898, các con tàu của Mỹ đã trang bị máy X-quang để phục vụ quân y, tờ New York Times đã tuyên bố tia X là “nguồn tài nguyên chẩn đoán không thể thiếu”. Vì những đóng góp vĩ đại này, Röntgen đã được trao giải Nobel Vật lý đầu tiên vào năm 1901.
| Mốc thời gian | Sự kiện chính |
| 08/11/1895 | Wilhelm Röntgen phát hiện ra tia X khi thí nghiệm với ống Crookes |
| 22/12/1895 | Bức ảnh X-quang đầu tiên (tay của Anna Bertha) được thực hiện |
| 01/1896 | Tia X bắt đầu được sử dụng trong y tế để chẩn đoán gãy xương và dị vật |
| 1898 | Marie Curie đưa các xe X-quang lưu động ra chiến trường Thế chiến I |
| 1901 | Röntgen nhận giải Nobel Vật lý đầu tiên cho khám phá về tia X |
| 1912 | Max von Laue phát hiện hiện tượng nhiễu xạ tia X trên tinh thể |
| 1953 | Cấu trúc DNA được xác định nhờ dữ liệu nhiễu xạ tia X (Photo 51) |
Sự phổ biến ban đầu của tia X không hề có sự kiểm soát về an toàn bức xạ. Trong thập niên 1920 đến 1970, các máy soi chân bằng tia X (shoe-fitting fluoroscopes) thậm chí còn là vật dụng phổ biến trong các cửa hàng giày để giúp khách hàng kiểm tra sự vừa vặn của giày đối với cấu trúc xương chân, cho đến khi những nguy hiểm về sinh học của bức xạ ion hóa được hiểu rõ hơn.
Bản chất vật lý và cơ chế tương tác với vật chất
Tia X là một dạng bức xạ điện từ có năng lượng cao, nằm trong dải bước sóng ngắn hơn tia cực tím nhưng dài hơn tia gamma. Chúng mang bản chất lưỡng tính sóng-hạt; trong nhiều ứng dụng, chúng được coi là các hạt photon không có khối lượng, di chuyển với vận tốc ánh sáng.
Theo các tiêu chuẩn đo lường và định nghĩa từ IAEA, các đặc tính vật lý cơ bản của tia X được xác định như sau:
- Bước sóng: dao động trong khoảng từ 0,01 đến 1000 Å.
- Năng lượng: nằm trong khoảng từ 0,25 keV đến 250 keV. Năng lượng của một photon tia X liên quan trực tiếp đến tần số của nó.
- Tính chất đâm xuyên: Tia X “cứng” có năng lượng cao và bước sóng ngắn, có khả năng đâm xuyên sâu hơn, trong khi tia X “mềm” có năng lượng thấp và dễ bị hấp thụ bởi các mô nông hoặc không khí.
Quá trình tạo ra tia X trong các thiết bị hiện đại diễn ra bên trong một ống chân không chứa hai điện cực. Khi một hiệu điện thế cực cao (kVp) được đặt vào giữa cathode (cực âm) và anode (cực dương), các electron được giải phóng từ sợi đốt cathode bằng hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử sẽ được gia tốc và bắn phá vào bề mặt anode (thường làm bằng vonfram hoặc molybdan). Quá trình này tạo ra hai loại bức xạ X:
- Bức xạ hãm (Bremsstrahlung): xảy ra khi các electron nhanh bị chậm lại hoặc đổi hướng đột ngột do tương tác với điện trường của hạt nhân nguyên tử mục tiêu, phát ra các photon có phổ năng lượng liên tục.
- Tia X đặc trưng (Characteristic X-rays): xảy ra khi electron bắn phá đánh bật một electron ở lớp vỏ trong của nguyên tử mục tiêu. Một electron từ lớp vỏ ngoài sẽ nhảy xuống lấp đầy khoảng trống, giải phóng một photon có năng lượng chính xác bằng hiệu số năng lượng giữa hai mức quỹ đạo.
Khi chùm tia X đi xuyên qua cơ thể hoặc vật liệu, cường độ của nó bị suy giảm do các cơ chế tương tác ở cấp độ nguyên tử. Ba cơ chế tương tác chính bao gồm:
- Hiệu ứng quang điện: toàn bộ năng lượng photon bị hấp thụ bởi một electron, làm nó bật ra khỏi nguyên tử. Đây là cơ chế chính tạo ra độ tương phản trong hình ảnh y tế vì xác suất xảy ra tỷ lệ thuận với số hiệu nguyên tử. Vì xương giàu Canxi nên hấp thụ tia X mạnh hơn nhiều so với mô mềm, tạo ra bóng trắng trên phim.
- Tán xạ Compton: Photon tương tác với electron lớp ngoài, làm thay đổi hướng đi và mất một phần năng lượng. Đây là nguồn gốc của bức xạ tán xạ gây nhiễu ảnh và làm tăng liều lượng bức xạ cho nhân viên y tế.
- Tạo cặp: chỉ xảy ra ở năng lượng rất cao (trên 1,022 MeV), photon biến đổi thành một cặp electron và positron khi đi gần hạt nhân.
| Tính chất | Tia X mềm | Tia X cứng |
| Năng lượng | Thấp (< 10 keV) | Cao (> 10 keV) |
| Khả năng đâm xuyên | Thấp, dễ bị hấp thụ bởi mô mỏng | Cao, xuyên qua xương và kim loại |
| Ứng dụng chính | Chụp nhũ ảnh, nghiên cứu bề mặt | Chụp X-quang chẩn đoán, soi chiếu an ninh |
| Bộ lọc | Thường bị loại bỏ để giảm liều cho bệnh nhân | Được ưu tiên trong CT và chụp xương |
Cách mạng trong Y tế: từ chẩn đoán đến điều trị can thiệp
Trong hơn một thế kỷ, tia X đã là xương sống của ngành chẩn đoán hình ảnh. Với hơn 3,6 tỷ ca chụp X-quang được thực hiện mỗi năm trên toàn cầu, công nghệ này đã hỗ trợ điều trị cho hàng triệu người thông qua việc phát hiện sớm bệnh tật. Các phương pháp chẩn đoán hình ảnh hiện đại, bao gồm:
- Chụp X-quang quy ước (Radiography): tạo ra hình ảnh 2D của cấu trúc bên trong. Đây là phương pháp nhanh nhất để phát hiện gãy xương, nhiễm trùng phổi (như viêm phổi) và các dị vật trong cơ thể.
- Cắt lớp vi tính (CT): sử dụng một nguồn tia X quay xung quanh bệnh nhân để tạo ra hàng nghìn lát cắt hình ảnh. Sau đó, máy tính sẽ tái tạo chúng thành hình ảnh 3D chi tiết về các cơ quan, mạch máu và cấu trúc não bộ. CT là công cụ tiêu chuẩn trong cấp cứu chấn thương và tầm soát ung thư.
- Nội soi huỳnh quang (Fluoroscopy): cung cấp hình ảnh X-quang thời gian thực. Nó cho phép bác sĩ theo dõi sự di chuyển của chất cản quang trong hệ tiêu hóa hoặc hướng dẫn các ca phẫu thuật can thiệp mạch máu.
- Chụp nhũ ảnh (Mammography): sử dụng tia X năng lượng thấp để sàng lọc ung thư vú, phát hiện các khối u nhỏ hoặc các vi calci hóa mà khám lâm sàng không thể thấy được.
Bên cạnh chẩn đoán, tia X ở mức năng lượng rất cao (triệu electron-volt) còn được sử dụng trong các phác đồ để điều trị ung thư. Bức xạ ion hóa tấn công trực tiếp vào cấu trúc DNA của tế bào ác tính, làm mất khả năng phân chia và dẫn đến sự hủy diệt của khối u. Theo Hiệp hội Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC), hơn 50% bệnh nhân ung thư cần kỹ thuật xạ trị như một phần của liệu trình điều trị. Mặc dù liều lượng trong chẩn đoán là rất thấp và hiếm khi gây ra tác dụng phụ tức thời, nhưng nguyên tắc ALARA (thấp đến mức có thể đạt được một cách hợp lý) luôn được áp dụng nghiêm ngặt để giảm thiểu rủi ro tích lũy gây ung thư trong tương lai.
| Loại hình chụp | Liều bức xạ hiệu dụng (mSv) | Tương đương bức xạ nền tự nhiên |
| X-quang chi (tay, chân) | < 0,001 | < 3 giờ |
| X-quang răng (bitewing) | 0,004 – 0,005 | 1 ngày |
| X-quang ngực (thẳng) | 0,1 | 10 ngày |
| Chụp nhũ ảnh | 0,21 – 0,4 | 1 tháng |
| CT đầu | 2,0 | 7 tháng |
| CT bụng và chậu | 7,7 – 15,4 | 2,6 – 5,1 năm |
| Chụp mạch vành can thiệp | 15,0 | 5 năm |
Đột phá công nghệ 2024-2025: Photon-Counting CT và AI
Ngành công nghệ bức xạ đang bước vào một kỷ nguyên mới với những phát minh làm thay đổi hoàn toàn cách thức thu nhận dữ liệu X-quang. Công nghệ Cắt lớp đếm photon (Photon-Counting CT – PCCT) được coi là bước tiến lớn nhất trong công nghệ CT kể từ khi nó được phát minh. Thay vì sử dụng các đầu dò tích hợp năng lượng (EID) truyền thống – vốn phải chuyển đổi tia X thành ánh sáng rồi mới thành tín hiệu điện – đầu dò PCCT sử dụng các vật liệu bán dẫn như Cadmium Zinc Telluride (CZT) hoặc Silic để chuyển đổi trực tiếp photon tia X thành tín hiệu điện. Lợi ích vượt trội của PCCT bao gồm:
- Độ phân giải cực cao: Khả năng nhìn thấy các cấu trúc nhỏ đến 0,2 mm, giúp quan sát các chi tiết trong tai trong, mảng bám mạch vành hoặc các nốt nhỏ ở phổi với độ sắc nét chưa từng có.
- Giảm liều bức xạ: Do hiệu suất lượng tử cao hơn và khả năng loại bỏ nhiễu điện tử bằng các ngưỡng năng lượng, PCCT có thể giảm liều từ 30% đến 40% mà vẫn giữ nguyên chất lượng hình ảnh.
- Khả năng phổ đa năng lượng: Mỗi lần chụp PCCT mặc nhiên là một lần chụp phổ, cho phép phân tách các vật liệu như Iod, Canxi và mỡ chỉ trong một lần quét mà không cần các thiết bị CT năng lượng kép phức tạp.
Năm 2025 đánh dấu sự bùng nổ của AI trong X-quang lâm sàng. AI không chỉ giúp bác sĩ đọc phim nhanh hơn mà còn cải thiện an toàn cho bệnh nhân. Các hệ thống như của Omega Medical sử dụng AI để theo dõi thời gian thực vùng mà bác sĩ đang can thiệp (ROI), tự động thu hẹp chùm tia X vào vùng đó và giảm bức xạ ở các vùng xung quanh, giúp giảm tổng liều phơi nhiễm tới 60%. Các công cụ AI có thể phát hiện gãy xương, tràn khí màng phổi hoặc các nốt phổi ngay lập tức, giúp phân loại ưu tiên các trường hợp khẩn cấp trong khoa cấp cứu bận rộn. AI cũng có thể phân tích các phim X-quang quy ước để ước tính mật độ khoáng xương, giúp chẩn đoán loãng xương sớm ngay cả khi bệnh nhân chỉ đi chụp phổi thông thường.
Tinh thể học tia X: Giải mã kiến trúc của sự sống và vật chất
Nếu không có tia X, sự hiểu biết của chúng ta về sinh học phân tử sẽ lùi lại nhiều thập kỷ. Tinh thể học tia X là kỹ thuật chiếu chùm tia X vào một mẫu tinh thể và phân tích mô hình nhiễu xạ tạo ra để xác định vị trí của từng nguyên tử trong không gian 3D. Năm 1953, James Watson và Francis Crick đã xây dựng mô hình xoắn kép của DNA dựa trên dữ liệu nhiễu xạ tia X (Photo 51) của Rosalind Franklin. Khám phá này đã mở ra kỷ nguyên di truyền học hiện đại. Trong khi đó, kỹ thuật Protein và Enzyme đã giúp xác định cấu trúc của Myoglobin, Hemoglobin và hàng nghìn loại protein khác, giúp các nhà khoa học hiểu được cách cơ thể vận hành ở cấp độ phân tử. Hầu hết các loại thuốc hiện đại, từ thuốc điều trị ung thư đến các vaccine thế hệ mới, đều được thiết kế dựa trên cấu trúc protein đích được xác định bằng tia X.
Năm 2012, robot Curiosity của NASA đã lần đầu tiên thực hiện tinh thể học tia X trên một hành tinh khác (Sao Hỏa), phân tích các mẫu đất đá để tìm kiếm dấu vết của nước và các khoáng chất liên quan đến sự sống. Những khám phá khoa học cũng đã cho thấy vũ trụ là một phòng thí nghiệm năng lượng cao, nơi các hiện tượng khắc nghiệt nhất phát ra tia X. Do bầu khí quyển Trái Đất hấp thụ tia X, các kính thiên văn phải được đặt trên quỹ đạo. Đài thiên văn Chandra hoạt động hơn 25 năm, cung cấp những hiểu biết sâu sắc về các lỗ đen, các vụ nổ siêu tân tinh và sự va chạm của các cụm thiên hà. Các quan sát mới nhất vào năm 2025 cho thấy một số lỗ đen siêu khối lượng (như RACS J0320-35) đang phát triển nhanh một cách bất thường, tiêu thụ vật chất vượt qua giới hạn Eddington – giới hạn vật lý giữa áp suất bức xạ và trọng lực. Điều này giúp giải thích cách các lỗ đen khổng lồ hình thành chỉ trong vòng chưa đầy 1 tỷ năm sau vụ nổ Big Bang. Hay các sứ mệnh như XRISM (2025) sử dụng phổ học tia X để xác định sự phân bố của các nguyên tố nặng như Kali, Clo, Sắt và Silic trong tàn tích sao Cassiopeia A, cho thấy cách các nguyên tố tạo nên Trái Đất được rải rác vào không gian sau cái chết của các ngôi sao khổng lồ.
Ứng dụng trong bảo tồn di sản và nghệ thuật
Tia X đã trở thành một công cụ pháp y quan trọng trong việc bảo vệ các báu vật văn hóa. Các nhà sử học sử dụng tia X để nhìn xuyên qua các lớp sơn bề mặt của những bức tranh cổ. Bức tranh “The Old Guitarist” của Picasso đã tiết lộ hình ảnh hai người phụ nữ bị ẩn giấu bên dưới, cho thấy quá trình sáng tạo và việc tái sử dụng toan của họa sĩ. Hay trong khảo cổ học, thay vì mở lớp băng vải gây hư hại, chụp CT xác ướp giúp các nhà khảo cổ nghiên cứu cấu trúc xương, tình trạng bệnh tật và các vật trang sức tùy táng bên trong mà không làm ảnh hưởng đến mẫu vật. Ngoài ra, tia X đã giúp đọc được các chữ viết trên những cuộn giấy cói bị cháy sém tại Herculaneum và nghiên cứu cơ chế vận hành của Cỗ máy Antikythera – chiếc máy tính cơ khí phức tạp nhất thế giới cổ đại.
Từ khoá: tia X;
– CMD –
