Tia X và giải Nobel Vật lý đầu tiên

Ảnh 1: ống Crookes. Câu chuyện bắt đầu ngày 8.11.1895, tại phòng thí nghiệm vật lý ở đại học Würzburg (thuộc vùng Bayern, tây nam Đức, cách thành phố München 280km về phía bắc). Vào thập niên cuối của thế kỷ 19, các nhà vật lý châu Âu đua nhau quan sát, tìm hiểu những hiện tượng điện xảy ra trong và chung quanh một "ống catôt" gọi là "ống Crookes" (tên của nhà vật lý người Anh William Crookes). Đó là một ống thủy tinh trong đó người ta đã hút gần hết không khí, thực hiện một chân không cao độ – áp suất của không khí còn lại trong ống là dưới một phần triệu áp suất ngoài trời. Vì thế mà các loại ống này cũng được gọi là "ống chân không". Một đầu ống Crookes là một cực âm (catôt), đầu kia là cực dương (cả hai bằng kim loại), khi hai cực được nối với nhau bằng một dòng điện cao thế (ảnh 1) thì dưới tác động của dòng điện, khí còn lại trong ống bị ion hóa: ở gần cực âm, các phân tử khí bị phá vỡ, làm nảy ra các điện tử (electron), những điện tử này bị hút về phía cực dương, tạo thành những "tia âm cực". Ngày hôm ấy, Röntgen phủ kín ống Crookes của mình bằng giấy đen và mỗi khi phát điện, ông nhìn thấy trên một màn giấy phủ bằng hóa chất platino-cyanure de baryum để ở gần ống, một vệt huỳnh quang. "Vệt huỳnh quang này không thể do ánh sánh trong ống truyền ra, vì ống đã được phủ kín bằng giấy đen", ông nhận xét. Đặt tấm màn giấy này lùi xa tới 2m cách ống, dù là mặt giấy có phủ hóa chất hay mặt không phủ hướng về ống, vệt huỳnh quang vẫn rõ. Sự "tình cờ" chấm dứt ở đây. Tiếp theo là một trực giác khoa học cực kỳ mẫn cảm và một quy trình lao động nghiêm ngặt. Trực giác mách bảo ông rằng khi một dòng điện cao thế nối hai cực của ống catôt, ống này phát ra một tia vô hình, mà màn giấy hóa chất làm hiện ra. Đây là một hiện tượng chưa ai khám phá, ông tạm đặt tên cho các tia vô hình đó là "tia X", dùng chữ cái quen thuộc "X" để chỉ một ẩn số trong toán học, và bắt đầu tiến hành một loạt thí nghiệm để tìm hiểu nó. Ngay sau khi khám phá được công bố, nhiều người đã đề nghị dùng tên gọi "tia Röntgen", nhưng trừ ở Đức, tên ông đặt tạm cho nó, tia X, vẫn phổ biến nhất. Đặt giữa ống Crookes và màn nhiều loại vật thể khác nhau, Röntgen nhận thấy tia X xuyên qua nhiều loại vật, như giấy thường (một quyển sách 1.000 trang không làm giảm cường độ của vệt huỳnh quang), các loại thủy tinh không chứa chì, các tấm cao su v.v.., nhưng bị kim loại chặn lại. Đặt một vật bằng kim loại giữa ống phát tia X và một tờ giấy ảnh, ông thấy bóng của vật này hiện trên bản âm như khi chụp ảnh thường. Như vậy, giấy ảnh cũng làm phát hiện tia X như giấy phủ hóa chất platino-cyanure de baryum. Đưa bàn tay ra chặn những tia X, ông thấy trên màn giấy những đốt xương hiện lên rất rõ trong bóng mờ của bàn tay. Kết hợp hai quan sát này, ngày 22.12.1895 Röntgen dẫn vợ tới phòng thí nghiệm và thực hiện ảnh chụp tia X bàn tay của bà (ảnh 2). Đây là tấm ảnh tia X đầu tiên để lại cho hậu thế… Tấm ảnh X-quang đầu tiên. Nhận thấy khả năng áp dụng vô cùng to lớn của khám phá này đối với y học, Röntgen quyết định không đặt bằng sáng chế, và công bố toàn bộ những thí nghiệm, kể cả những câu hỏi lý thuyết mà ông chưa giải đáp được, trong một bài báo cho tập san của hội Vật lý và y khoa Würzburg tháng 12.1895. Nội dung bài báo cũng được ông trình bày trong một buổi thuyết trình của hội ngày 23.1.1896. Thông tin về khám phá của Röntgen truyền đi như vũ bão, nhanh chẳng kém gì thời đại Internet, dù rằng đây là chuyện của hơn một thế kỷ trước! Tháng 2.1896, một bài báo xuất hiện trên Nature với một tấm hình bàn tay chụp bằng tia X. Tháng 3, những ứng dụng y khoa đầu tiên được công bố. Một tấm ảnh tia X cho thấy một viên đạn còn nằm trong một bàn tay bị thương, một tấm khác, vết thương chưa lành ở chân… Tháng 6.1896, Thomas Edison (Mỹ) quảng bá một «máy chụp huỳnh quang» với những tia X cực mạnh! Người ta chụp đủ thứ bằng máy chụp tia X (cả ngành hải quan cũng vào cuộc rất sớm), và công bố rộng rãi kết quả trên báo chí: chỉ riêng trong năm 1896 có hơn 1.000 bài báo chung quanh chủ đề này. Riêng Hàn lâm viện khoa học Pháp có 108 thông báo, trong đó phải kể tới thông báo của Henri Becquerel Về những tia vô hình từ những vật thể lân quang, mô tả khám phá hiện tượng phóng xạ của ông, được đọc ngày 2.3.1896. (theo một bài viết của J.J. Samueli trên trang web BibNum). Becquerel cũng được Nobel vật lý hai năm sau Röntge. Về lý thuyết, thế kỷ 20 chứng kiến nhiều công trình quan trọng liên quan tới tia X (với bảy giải Nobel vật lý trong hơn 20 năm đầu), đáng kể nhất là khám phá ra bản chất sóng điện từ của các tia này (Max von Laue, Nobel 1914), cũng như sự hiện diện của chúng trong tự nhiên: tia X cùng bản chất với các tia Gamma, là các sóng điện từ có tần số cực cao, gấp hàng triệu lần tần số của ánh sáng tím. Ngày nay, trên khắp thế giới, người ta không còn lạ gì với những tấm ảnh chụp các bộ phận bên trong cơ thể, nhất là xương của những người bị tai nạn, nhằm tìm hiểu để chữa trị thương tật ấy. Những người bị nghi là có bệnh phổi cũng thường được đưa đi chụp phổi xem có bị lao, ung thư v.v.. Cả một ngành khoa học mới, ngành ảnh y học (tiếng Anh: medical imaging) ra đời từ những tấm ảnh tia X đầu tiên, được mở rộng sau đó với những kỹ thuật vật lý khác (như ảnh cộng hưởng từ - Magnetic Resonance Imaging, viết tắt là MRI), kết hợp với những kỹ thuật số hóa các kết quả đo đạc và khả năng xử lý thông tin của toán học sử dụng máy tính điện tử... Những hiểm nguy do tia X gây ra cũng được biết rõ hơn, cùng các biện pháp, chuẩn mực được đưa ra để hạn chế chúng. Nhiều ứng dụng khác mở ra, như các ngành tinh thể học tia X, thiên văn học tia X… hoặc trong công nghiệp, ngành chụp ảnh kỹ nghệ tia X để khám phá những cấu trúc vật liệu cực nhỏ, hay những vết rạn vỡ nằm sâu trong lòng máy móc... Tất cả nói lên tầm vĩ đại của một khám phá, và con mắt tinh đời của Ủy ban Nobel.