Lịch sử tia X - Phần 2

ALEXI ASSMUS

Việc khám phá ra tia X vào năm 1895 là sự khởi đầu của một sự thay đổi mang tính cách mạng trong nhận thức của chúng ta về thế giới vật chất.

Xem Phần 1

Roentgen đã chuyển sang một niềm đam mê mới vào tháng 10 năm 1895: đó là nghiên cứu tia cathode. Trong quá trình lặp lại các thí nghiệm của Hertz và Lenard, ông bất ngờ để ý thấy một màn hình huỳnh quang phát sáng khi nó nằm cách ống Crookes một khoảng cách khá xa. Màn hình nằm xa hơn 6 đến 8 cm so với khoảng cách mà Lenard tìm thấy là khoảng cách cực đại cho tia cathode duy trì năng lượng của chúng để gây cảm ứng huỳnh quang. Roentgen nhận thấy hiệu ứng trên đáng để ông chuyên tâm theo đuổi và ông đã dành 6 tuần tiếp sau đó để nghiên cứu nó một cách không mệt mỏi.

Phillip Lenard, 1862–1947. (Ảnh: AIP Niels Bohr Library)

Các nhà sử học từng tranh cãi về nguyên do vì sao Roentgen là người đầu tiên nhận ra tầm quan trọng của hiệu ứng này. Thiết bị trên, một ống tia cathode và một màn hình huỳnh quang, đã được sử dụng trong hàng thập kỉ. Năm 1894, J.J. Thomson đã nhìn thấy sự huỳnh quang trong ống thủy tinh Đức nằm cách ống phóng điện vài chục cm. Những người khác thì để ý thấy các tấm kính ảnh bị mờ đi. Nhưng trước khi có công trình của Lenard, đối tượng nghiên cứu luôn luôn là các hiệu ứng xảy ra bên trong ống, và ánh sáng tử ngoại cực ngắn có thể dùng để giải thích sự mờ đi của các tấm kính ảnh. Niềm đam mê lớn nhất của Lenard là chứng minh, trái với cái người Anh nghĩ, cho bản chất ê te của tia cathode, và ông là người đầu tiên nghiên cứu các tác dụng của những tia này trong không khí và trong một ống thủy tinh thứ hai mà ông hứng chúng vào đấy.

Hình trích trong “Wilhelm Conrad Roentgen,” Từ điển Tiểu sử Khoa học. (NewYork: Scribner’s, 1975), trang 531.

Heinrich Rudolf Hertz, 1857–1894. (Ảnh: Bảo tàng Hà Lan và AIP Emilio Segrè Visual Archives)

Roentgen, một nhà thực nghiệm tỉ mỉ và tinh mắt, đã tiến hành những thử nghiệm rõ ràng trên các tia X mới đó: Chúng có truyền thẳng hay không? Chúng có bị khúc xạ không? Chúng có bị phản xạ không? Chúng có khác với tia cathode không? Chúng có bản chất là gì? Giống như tia cathode, chúng truyền đi theo đường thẳng. Roentgen không thể làm cho chúng khúc xạ với nước và carbon bisulphide trong lăng kính mica. Ông cũng không thể tập trung chúng bằng các thấu kính thủy tinh hoặc ebonite. Với lăng kính ebonite và nhôm, ông để ý đến khả năng các tia khúc xạ trên kính ảnh nhưng không thể quan sát hiệu ứng này trên màn hình huỳnh quang. Tiếp tục kiểm tra sau đó, ông nhận thấy tia X có thể truyền tự do qua những lớp dày gồm muối bột đá mịn, bột muối điện phân, và bụi kẽm, không giống như ánh sáng nhìn thấy, cái vì sự khúc xạ và phản xạ mà khó đi qua tất cả. Ông kết luận rằng tia X không dễ gì bị khúc xạ hay phản xạ bình thường.

Roentgen nhận thấy tia X phát ra từ sự huỳnh quang sáng rỡ trên ống, nơi tia cathode va chạm với thủy tinh và bị phân tán ra. Điểm gốc của tia X di chuyển khi tia cathode bị di chuyển bởi từ trường, nhưng bản thân tia X thì không nhạy với nam châm. Roentgen kết luận rằng chúng khác với tia cathode, vì công trình nghiên cứu của Lenard đã chứng minh rằng tia cathode truyền qua ống vẫn giữ hướng truyền của chúng nhưng dễ bị lệch hướng bởi từ trường.

Roentgen lí giải việc gọi tên tia hiện tượng mới do những hình ảnh lờ mờ mà chúng tạo ra: các xương trong bàn tay, các sợi dây quấn xung quanh một con suốt chỉ, các quả nặng trong một cái hộp, một cái la bàn và kim nam châm giấu trong một thùng kim loại, sự không đồng đều của một kim loại. Khả năng tạo ảnh của các tia mới đã mang lại cho chúng sức hấp dẫn lớn đối với công chúng và mang lại danh tiếng cho Roentgen. Nhiều bài báo xuất hiện trên các tạp chí nhiếp ảnh, và tờ The New-York Times đã đăng tít khám phá trên bên dưới bức ảnh chụp. Vì các tia đó làm đen kính ảnh, nên người ta nghĩ chúng là một dạng nào đó của ánh sáng. Nhà vật lí Roentgen đồng tình như vậy. Chấp nhận các khẳng định của Lenard rằng tia cathode là các dao động của ê te, Roentgen đã so sánh các tia mới với chúng và đi tới quan điểm cho rằng cả hai đều có bản chất ê te, mặc dù khác với ánh sáng nhìn thấy, tia hồng ngoại và tia tử ngoại ở chỗ chúng không bị phản xạ hay khúc xạ. Ông đề xuất rằng tia cathode và tia X là các dao động dọc của ê te, chứ không phải các dao động ngang.

Giờ thì sự tồn tại của chúng đã được xác lập, người ta dễ dàng làm thí nghiệm với các tia X mới đó. Bản thân Roentgen chỉ công bố ba bài báo về đề tài trên, nhưng những người khác nhanh chóng nhảy vào lĩnh vực nghiên cứu này. Và không chỉ có các nhà vật lí. Thomas Edison đã sử dụng các bóng đèn nóng sáng cải tiến để tạo ra các tia mới. Ông khoe với các phóng viên rằng bất kì ai cũng có thể tạo ra ảnh chụp của xương bàn tay, đó chỉ là một trò chơi của trẻ con. Chỉ trong một tháng sau công bố của Roentgen, các bác sĩ đã sử dụng tia X để xác định vị trí của viên đạn trong da thịt người và chụp ảnh các xương bị gãy. Tiến sĩ Henry W. Cattell, người trình diễn giải phẫu bệnh tật tại trường đại học Pennsylvania, đã xác nhận tầm quan trọng của chúng trong việc chẩn đoán sạn thận và xơ gan, và ông đã bình luận rằng “Trí tưởng tượng giải phẫu có thể tự đánh mất mình trong khi nghĩ ra vô số ứng dụng của quá trình tuyệt vời này” (The New-York Times, 15/02/1896, trang 9). Trong sáu tháng đầu tiên sau khám phá của họ, các xác ướp thành Vienna đã được phân tích, các bác sĩ khẳng định đã chụp được ảnh não của họ, và trái tim con người cũng được phanh phui. Năm 1897, mặt nguy hại của tia X được báo cáo: các thí dụ bao gồm sự rụng tóc và cháy da do liều lượng biến thiên.

Các kĩ sư điện và các nhà vật lí đã tranh luận về bản chất của những tia X này. Albert Michelson nghĩ rằng chúng là các xoáy trong ê te. Thomas Edison và Oliver Lodge thì đề xuất các sóng âm hay sóng hấp dẫn. Nhưng khả năng chụp ảnh của các tia đó mới là cái quyết định, và các nhà tư duy nghiêm túc đưa ra ba khả năng, tất cả ba khả năng đều có nguồn gốc điện từ: chúng là sóng ánh sáng có tần số rất cao; chúng là sóng dọc (đề xuất ban đầu của Roentgen); hoặc chúng là những xung ngang, rời rạc, của ê te.

Henri Poincaré, 1854–1912. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives)

Khá dễ dàng bác bỏ giả thuyết rằng chúng là sóng dọc, bất chấp sự ủng hộ của Henri Poincaré và ngài Kelvin. Điểm then chốt của câu hỏi là các sóng đó có bị phân cực hay không. Nếu bị phân cực, thì chúng không thể nào là sóng dọc được. Mặc dù các thí nghiệm ban đầu về sự phân cực mang lại kết quả âm tính hoặc không rõ ràng, nhưng với sự khám phá ra một tia khác nữa, tia uranium của Henri Bequerel cho cái ông khẳng định đã tìm thấy sự phân cực, thì các tia đó ở châu Âu lục địa lập nên một kiểu hình thuyết phục. Nó đi từ các dao động ê te ngang tần số từ thấp đến cao: ánh sáng, tia uranium, tia X. Tia uranium do những khoáng chất nhất định giải phóng ra, và chúng không cần thiết bị nào để tạo ra chúng, nhưng chúng có những tính chất nhất định giống với tia X. Chúng làm đen kính ảnh và chúng làm cho các chất khí dẫn điện.

Các nhà vật lí người Anh thì xem xét khả năng tia X là các xung động trong ê te thay vì các sóng liên tục. Vị giáo sư toán học ngạch Lucasian tại Cambridge, ngài George Gabriel Stokes, cùng người đồng nghiệp của ông và là giám đốc Phòng thí nghiệm Cavendish, J.J Thomson, thì kiên định với giả thuyết xung vào năm 1896. Nó phù hợp với quan điểm của họ về tia cathode là các hạt (Thomson công bố khám phá ra các tiểu thể đó, hay các electron, vào một năm sau đó). Sự dừng lại đột ngột của một hạt tích điện, sau một khoảng trễ thời gian nhỏ xíu, sẽ mang lại sự truyền ra ngoài của một xung điện từ. Với phép đo chính xác của Thomson về tỉ số điện-tích-trên-khối-lượng và lí thuyết electron thành công của H.A Lorentz, lí thuyết giải thích được nhiều hiện tượng hấp dẫn, các nhà vật lí Lục địa bắt đầu chấp nhận, trước sự mất tinh thần của Lenard, rằng tia cathode là các hạt vật chất, còn tia X là các xung trong ê te.

Ảnh chụp tia X đầu tiên công bố trước công chúng. Bàn tay của nhà phẫu thuật danh tiếng, Albert von Kölliker, chụp trong bài giảng đầu tiên của Roentgen trước Hội Vật lí Y khoa Würzburg, hôm 23/01/1896.

Những kết quả mới sớm xuất hiện sau đó. Hai nhà vật lí người Hà Lan, Hermann Haga và  Cornelius Werd, công bố rằng tia X có thể bị nhiễu xạ, và một nhân vật tại Göttingen tên là Arnold Sommerfeld đã thực hiện một phân tích toán học của sự nhiễu xạ, chứng minh rằng kết quả của họ có thể giải thích theo các xung không có chu kì cố định. Năm 1904, Charles Glover Barkla, một học trò của Stokes lẫn Thomson tại Cambridge, chứng minh rằng tia X có thể bị phân cực phẳng, trong khi đang thí nghiệm với các tia X thứ cấp và tam cấp. (Những tia này được sinh ra qua việc chiếu tia X vào các chất rắn).

Khi tia X bắt đầu biểu hiện, ngày một nhiều dần, các tính chất của ánh sáng, thì tia uranium mang lại những bí ẩn mới. Bản thân chúng gồm ba dạng tia riêng biệt: tia alpha, beta và gamma. Những tia này có bản chất là gì? Thật bất ngờ cho vật lí học, cái gần như đã gần đi tới kết luận, lại phải đối mặt trước những khám phá định lượng, không thể giải thích nổi. Chúng không “thuộc chữ số thập phân thứ sáu” như Michelson dự đoán. Tại hội nghị quốc tế về vật lí học do Hội Vật lí Pháp tổ chức ở Paris vào năm 1900, có đến tròn 9% số bài báo là nói về cơ sở vật lí của các tia mới.

Năm 1899, Ernest Rutherford, một học trò khác của Thomson và là người trở thành người kế vị của ông làm giám đốc Phòng thí nghiệm Cavendish, đã tách li tia alpha, có thể làm dừng lại bằng một lá kim loại hoặc các tờ giấy, khỏi các tia beta có tính đâm xuyên hơn. Năm 1900, Rutherford đã nhận ra tia beta là các electron tốc độ cao: bị lệch trong từ trường, chúng thể hiện tỉ số điện-tích-trên-khối-lượng thật chính xác. Một thành phần thứ ba của tia uranium, không bị chệch hướng và có tính đâm xuyên cao, đã được Paul Villard tại trường Ecole Normale Superieur ở Paris phát hiện ra. Rutherford đặt tên cho chúng là tia gamma. Trong luận án năm 1903 của bà, Marie Curie đã thực hiện các so sánh sau đây: tia gamma với tia X; tia beta với tia cathode; và tia alpha với tia ống (Tia ống là các dòng phân tử tích điện dương).

Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld, 1868–1951. (Ảnh: AIP Niels Bohr Library)

Vài năm sau đó lại xuất hiện một câu chuyện khác nữa. Nhà khoa học người Anh William Henry Bragg đã công bố vào năm 1907 rằng tia X và tia gamma thật ra không phải là sóng ê te, mà là các hạt, một cặp trung hòa như thế này: electron cộng với hạt tích điện dương. Nghiên cứu nghiêm túc của Bragg bắt đầu ở cái tuổi muộn màng, 41, sau 20 năm vui thú tại trường đại học Adelaide, Australia, nơi ông chơi golf và giải trí đàn đúm cùng các viên chức chính phủ. Ông công bố công trình sáng tạo mới của mình trong một bài diễn văn đọc trước Hiệp hội Australia vì Sự tiến bộ Khoa học, trong đó ông đã nêu ra một nhận xét quan trọng về công trình của Rutherford, nêu nghi vấn đối với định luật giảm theo hàm số mũ đối với sự hấp thụ tia alpha. Trong hai năm rưỡi, mỗi vài tháng ông lại cho công bố một bài báo, những nghiên cứu đã đưa ông đến chỗ phát biểu triệt để rằng tia X là các hạt. Quan điểm của ông dựa trên hai thực tế: (i) tia X kích thích số phân tử chất khí trong đường đi của chúng ít hơn so với trông đợi từ một nhiễu loạn dạng sóng, và (ii) vận tốc của các electron kích thích bởi tia X lớn hơn vận tốc mà một sóng có thể mang đến cho chúng. Vào lúc này, Bragg và người con trai của ông đã trở lại nước Anh, và lí thuyết của họ gây ra sự tranh cãi mạnh mẽ ngay cả trong đất nước mà các hạt được ưa chuộng và là nơi mà sự mô phỏng kì lạ của các hiện tượng vật lí được người ta dễ dàng chấp nhận. Đối thủ to tiếng nhất của họ là Charles Barkla, ông này cho rằng sự ion hóa của vật chất là một hiệu ứng thứ cấp không nhất thiết phải quy cho bản chất sóng của tia X. Ở phần sau, chúng ta sẽ trở lại với vấn đề tập trung năng lượng tia X, cái không thể giải thích nổi theo dạng sóng, cái đã khai sinh ra quan điểm sâu sắc của Louis de Broglie về bản chất sóng của vật chất.

Còn tiếp...

Xem lại Phần 1

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Tạo bảng điểm online

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Cuộc chiến chống phe Trái đất phẳng
31/07/2020
Các nhà vật lí sẽ cảm thấy sốc, nhưng có rất nhiều người trên khắp thế giới vẫn đinh ninh rằng Trái đất là phẳng. Bài
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 94)
29/07/2020
Rầm chữ I 1844 Richard Turner (khoảng 1798–1881), Decimus Burton (1800–1881) Có bao giờ bạn tự hỏi vì sao trong xây dựng người ta
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 93)
29/07/2020
Bảo toàn năng lượng 1843 James Prescott Joule (1818-1889)   “Định luật bảo toàn năng lượng đem lại… thứ gì đó để
Hàng trăm hadron
28/07/2020
Hadron bao gồm proton và neutron quen thuộc cấu tạo nên các nguyên tử của chúng ta, nhưng số lượng chúng còn đông hơn thế
Thí nghiệm LHCb tìm thấy một loại tetraquark mới
24/07/2020
Lần đầu tiên, nhóm hợp tác LHCb tại CERN quan sát thấy một hạt mới lạ được cấu tạo bởi bốn quark duyên (charm
Tìm kiếm một hằng số thích hợp
23/07/2020
Bằng cách đo phông nền vi sóng vũ trụ, sứ mệnh Planck đem lại cho chúng ta giá trị chính xác nhất từ trước đến nay của
Toán học cấp tốc (Phần 18)
22/07/2020
Lí thuyết xác suất Xác suất là một nhánh toán học nghiên cứu việc đo và dự báo khả năng của những kết cục nhất định.
Toán học cấp tốc (Phần 17)
22/07/2020
Các định lí bất toàn của Gödel Các định lí bất toàn của Gödel là hai kết quả nổi bật đã làm thay đổi cách nhìn của

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com