TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM KHOA VẬT LÝ  Tp.Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM KHOA VẬT LÝ  Tp.Hồ Chí Minh Hiếm có một phát hiện nào có ảnh hưởng to lớn đến nhiều nghành khoa học,nhiều thế hệ nghiên cứu như phát hiện về tia X của W.C.Rontgen. Đây là phát hiện được trao giải nobel về vật lý đầu tiên năm 1901 và đến nay, theo thống kê chưa đầy đủ đã có 17 giải nobel về vật lý, Hóa học, Sinh học thuộc lĩnh vực tia X hay lên quan đến tia X. Có nhiều sách giáo khoa sách chuyên đề về tia X và ứng dụng của nó. Tuy nhiên, khi phát hiện ra tia X năm 1895 nó đã được ứng dụng rất rộng rãi ở các bệnh viện để chụp xương, mặc dù khi đó người ta còn chưa biết đến bản chất của tia X là gì. Đến nay trải wa hơn 100 năm, lý thuyết cũng như ứng dụng của tia X đã phát triển sâu rộng sang nhiều lĩnh vực rất khác nhau. Từ người dân thường đến các kỹ sư, bác sĩ, nhà khoa học không ai không biết đến tia X: chụp X- quang xương , phổi, chụp cắt lớp CT kiểm tra sọ não; phân tích thành phần bằng huỳnh quang tia X, dùng tia X để biết được các phân tử, nguyên tử sắp xếp như thế nào để tạo lên các chất, kể cả sinh chất …. Trang 1 Chương 1. Phát hiện tia X 3 1.1 Tiểu sử của Wilhem Conrad Rontgen 3 1.2 Những nghiên cứu của Rontgen .4 Chương 2. Sự phát triển của vật lý tia X .6 1.1 Giai đọan 1914 đến 1936 dùng nhiễu xạ tia X xác định cấu trúc tinh thể rắn, khí 6 1.2 Năm 1914 M.Von Laue được giải nobel vật lý vì khám phá ra nhiễu xạ tia X bơi tinh thể 6 1.3 Giải Nobel vật lý 1915 .10 1.4 Giải Nobel vật lý 1917 .14 1.5 Giải Nobel vật lí 1924 16 1.6 Giải Nobel Vật Lý năm 1927 .17 1.7 Giải Nobel Hóa Học năm 1936 19 2.2.1 Giải Nobel Hóa học năm 1962– xác định cấu trúc hemôglôbin và miôglôbin .21 2.2.2 Giải nobel y học năm 1962: khám phá cấu trúc phân tử của axit nucleic và ý nghĩa mạng thông tin di truyền trong chất sống. .23 2.2.3 Giải Nobel Hóa học năm 1964: Xác định được cấu trúc của pênixilin và một số chất hoá sinh quan trọng 27 2.2.4 Giải nobel hoá học 1976: Lipscomb những nghiên cứu cấu trúc của boran, làm sáng tỏ những vấn đề liên kết hoá học. .28 2.2.5 Giải nobel y học 1979: phát triển phương pháp cắt lớp điện toán .29 2.3 Giai đoạn từ 1981 đến 1988 phát triển các phương pháp để xác định tia X . 32 2.3.2 Năm 1985 H.A.Hauptman và Karle được giải Nobel Hoá học vì phát triển phương pháp trực tiếp dùng tia X để xác định cấu trúc tinh thể 33 Trang 2 2.3.3 Năm 1988 J.Deinsenhofer,R.Huber và H.Michel được giải Nobel Hoá Học vì xác định được cấu trúc ba chiều của các trung tâm phản ứng quang hợp35 2.4.1 Năm 2002 R.Giacconi được giải Nobel Vật Lý 36 2.4.2 Năm 2003 giải Nobel Hóa học được trao cho P.Agre và R.Mackinnon vì khám phá ra kênh dẫn nước và kênh dẫn các ion ở tế bào .38 2.5 Tia X ngày nay 41 2.5.1 Hai nguồn phát tia X mới là:Ống nanocacbon và máy gia tốc .42 2.5.2 Laze tia X .43 Trang 3 Chương 1. Phát hiện tia X 1.1Tiểu sử của Wilhem Conrad Rontgen Wilhem Conrad Rontgen sinh ngày 27 tháng 3 năm 1845 ở Lennep thuộc tỉnh Lower Rhine,nước Đức, là người con duy nhất của một nhà buôn bán và sản xuất vải. Khi ông mới lên ba, gia đình ông chuyển đến Apeldoorn ở Hà Lan và đi học ở một trường thuộc vùng đó. Ông không có năng thiếu gì đặc biệt nhưng tỏ ra rất yêu thiên nhiên, ham thích ra đồng quê và các cánh rừng. Ông đặc biệt ham thích sáng chế các đồ cơ học, sau này trong đời ông vẫn thể hiện tham thích đó. Năm 1862, ông vào học ở một trường kỹ thuật ở Utrect. Tuy nhiên, sau đó ông bị đuổi học oan vì tội vẽ bím họa chân dung của một thầy giáo, nhưng thực sự là do một người khác vẽ. Năm 1865, ông vào đại học Utrect để nghiên cứu vật lí.Do thiếu tiêu chuẩn cần thiết cho một sinh viên chính quy, ông đã thi vào đại học bách khoa Zurich và trở thành sinh viên nghành chế tạo máy. Ông tham gia những bài giảng của Clausius và làm việc ở phòng thí nghiệm của Kundt. Cả Kundt và Clausius đều có ảnh hưởng đến những bước trưởng thành của ông.Năm 1869, ông được cấp bằng tiến sĩ (Ph.D) ở đại học Zurich, được nhận là trợ lí của Kundt và cùng Kunt đến Wierzbug, và ba năm sau thì đến Starsbourg. Năm 1874, ông được công nhận là giảng viên ở đại học Starbourg và được bổ nhiệm làm giào sư tại viện nghiên cứu nông nghiệp ở Hohenheim Wurtemberg năm 1875. Năm 1876, ông trở lại Strasbourg làm giáo sư vật lí. Nhưng ba năm sau đó ông nhận lời làm trưởng khoa vật lí trường Đại học Giessen. Năm 1886 trường đại học Jena, và năm 1888 trường đại học Utrect mời ông đến làm trưởng khoa vật lí nhưng ông không nhận lời, mà nhận làm trưởng khoa ở Đại học Wurzburg( 1888) để kế tục Kohlrausch và đồng nghiệp, và vì ở đấy Trang 4 có Helmholtz và Lorentz. Năm 1899 ông cũng từ chối lời mời làm trưởng khoa vật lí ở đại học Leipzig, nhưng đến 1900 ông lại nhận lời làm trưởng khoa vật lí ở Munich, vì yêu cầu đạc biệt của chính phủ Đức thời đó. Ông làm việc ở đây đến hết đời, mặc dù ông được mời làm Chủ tịch Viện Vật lí kĩ thuật tại Berlin và Chủ tịch ngành Vật lí ở Viện Hàn lâm Berlin, nhưng ông đều từ chối. Nhờ phát hiện ra tia X, Rontgen đã được xã hội tôn vinh. Một số thành phố, đường phố mang tên ông. Một danh sách rất dài các giải thưởng, huân chương, tiến sĩ danh dự, hội viên danh dự của nhiều tổ chức nghiên cứu ở Đức cũng như nước ngoài nhằm tôn vinh ông.Mặc dù vậy, Rontgen luôn luôn tỏ ra rất khiêm nhường và trầm lặng. Cả đời ông vẫn thể hiện tình yêu thiên nhiên và thích giải trí ngoài trời.Bản chất ông là người dễ mến, tao nhã, ông luôn luôn tránh có trợ lí,thích làm việc một mình. Nhiều dụng cụ máy móc ông sử dụng đều chính do ông tự làm lấy với nhiều sáng tạo và kĩ năng thưc nghiệm cao. Ngày 10 tháng 2 năm 1923 Rontgeh từ trần ở Munich do bi ung thư ruột. 1.2 Những nghiên cứu của Rontgen. Công trình đầu tiên Rongten công bố vào năm 1870 nói về nhiệt dung của chất khí. Vài năm sau đó, ông viết bài báo nói về sự dẫn nhiệt của tinh thể. Những vấn đề nghiên cứu khác của ông thuộc lĩnh vực điện học, những tính chất đặc biệt của thạch anh, ảnh hưởng của áp suất lên chiết suất của một số chất Trang 5 lỏng, sự thay đổi mặt phân cực ánh sáng do ảnh hưởng của trường điện từ, sự thay đổi phụ thuộc nhiệt độ và độ nén của nước cũng như các chất lỏng khác Hiện tượng sự loang rộng của giọt dầu trên mặt nuớc. Tuy nhiên, khi nói đến tên của Rongtgen chủ yếu là người ta nói đến việc phát hiện một loại tia mà ông gọi là tia X. Năm 1895, ông nghiên cứu hiện tượng xảy ra khi cho dòng điện đi qua chất khí ở áp suất cực thấp. Ở lĩnh vực này, trước đó đã có J. Plucker ( 1801 – 1868), J.W. Hittorf ( 1824 – 1914) C.F. Varley (1828 – 1883), E. Goldstein ( 1850 – 1931), William Crookes (1832 – 1919), H. hertz ( 1857 – 1894) và Ph. Von Lenard ( 1862 – 1947) nghiên cứu và từ những nghiên cứu của các nhà khoa học này, những tính chất của tia catôt đã được biết khá kĩ. Thuật ngữ Tia catôt là do Golstein đặt ra khi nói về dòng điện được tạo ra do cuộn dây cảm ứng (cuộn Ruhmkorff) sinh ra. Tuy nhiên, công trình của Rongtgen về tia catôt đã đưa đến việc phát minh ra một loại tia mới, khác lạ. Tối ngày 8 tháng 11 năm 1895, ông phát hiện được rằng, khi bọc kín ống phóng điện bằng giấy đen dày để ánh sáng không thể lọt ra được, rồi cho ống phóng điện làm việc trong buồng tối, thì tờ bìa mà một mặt có phủ lớp platinocyanua bari vẫn phát quang (huỳnh quang), mặc dù đặt cách ống phóng điện đến gần hai mét. Khi đặt những vật có bề dày khác nhau trên đường đi của tia này và dùng kính ảnh để chụp, thì ông thấy độ đen ở ảnh là khác nhau, điều đó chứng tỏ độ xuyên qua vật của tia là khác nhau. Khi ông để bàn tay của vợ đứng yên một lúc trên đường đi của chùm tia đến tấm kính ảnh thì, sau khi rửa ảnh, ông quan sát thấy trên ảnh có bóng tối của xương ngón tay của vợ mình, đồng thời thấy rõ cả bóng của chiếc nhẫn đeo ở ngón tay và những chỗ tối mờ mờ của phần thịt quanh các xương ngón tay (phần cho tia đi xuyên qua dễ dàng hơn so với phần xương) Đó chính là bức ảnh của tia X đầu tiên đã chụp được. Trang 6 Những thí nghiệm tiếp theo nữa của Rontgen cho thấy rằng, loại tia mới này sinh ra là do tia catôt đập vào các chất. vì bản chất của tia này chưa được biết đến nên ông gọi là tia X. Về sau, Max von Laue và các học trò của ông đã cho thấy rằng, về bản chất tia đó là sóng điện từ như ánh sáng, nhưng chỉ khác là có tần số cực cao. Chương 2. Sự phát triển của vật lý tia X 1.1 Giai đọan 1914 đến 1936 dùng nhiễu xạ tia X xác định cấu trúc tinh thể rắn, khí. 1.2 Năm 1914 M.Von Laue được giải nobel vật lý vì khám phá ra nhiễu xạ tia X bơi tinh thể Sinh:09/10/1879 Mất :24/4/1960 Ông đã quan sát và giải thích hiện tượng nhiễu xạ tia X trên tinh thể vào năm 1912. Ông nhận giải Nobel cho công trình này vào năm 1914 Đặt vấn đề : Bản chất của tia X là gì? - Từ những thí nghiệm khi đặt tia X trong từ trường mạnh thì không ảnh hưởng đến hướng đi của tia.Cũng không thể chứng tỏ rằng khí tia X đi từ môi trường này sang môi trường khác thì tia X bị khúc xạ. - Nếu tia X có bản chất hạt thì nó không thể không mang điện như những tia có bản chất hạt khác. - Nếu cho tia X là vật chất trung hòa điện, thì những hạt chuyển động tạo ra tia X phải mang hai điện tích trái dấu nhau, và tổng điện tích bằng 0. - Tia X không bị khúc xạ thì có thể kết luận rằng tia X là sóng ngang giống sóng ánh sáng và có bước sóng ngắn. Ý tưởng của Laue: Trang 7 Nếu như tia X là sóng ánh sáng thì bước sóng vào cỡ 9 10 cm − .Để xảy ra hiện tượnt giao thoa tia X giống với sóng ánh sáng thì phải có cách tử nhiễu xạ mà khoảng cách giữa các vạch vào cỡ 8 10 cm − .Nhưng khoảng cách đó lại bằng khoảng cách của các phân tử trong vật rắn. Ý tưởng của Laue là dùng vật rắn với các phân tử sắp xếp thành hàng để làm cách tử nhiễu xạ. Dụng cụ thí nghiệm: - Hộp chì - Chùm tia X mảnh truyền vào sao cho tia X chiếu thẳng vào tinh thể. - Phim ảnh nhạy được đặt ở sau và ở một bên của tinh thể. [...]... giống như tia X tới khi chiếu vào vật.Hệ số hấp thụ của tia X loại này (tia X thứ cấp) giống như hệ số hấp thụ của tia X tới.Và tia X này có khả năng xuyên thấu và có tính chất như tia X sơ cấp nên tia X này được xem là bức x sơ cấp bị khuyết tán -Một loại tia X không phụ thuộc vào tính chất của bức x tới.Hệ số hấp thụ của bức x này không phụ thuộc vào bức x tới nhưng lại do chất bị tia X (tia X thứ... tán x , trừ khi xem đó là sự lệch của hạt, hay photon của bức x .Hai loại bức x ánh sáng và tia X là một 1.7 Giải Nobel Hóa Học năm 1936 Giáo sư Peter Debye Ông đoạt giải Nobel vì đã dùng nhiễu x tia X đối với chất khí để x c định cấu trúc phân tử Ý tưởng Các nhà Hóa Học cho rằng khi chiếu tia X vào một chất, trong đó các nguyên tử sắp x p đều đặn theo một cách nào đó Tia X bị nhiễu x , đó là kết quả... như khúc x , phân cực, nhiễu x hay giao thoa đều chưa đạt kết quả Để phân biệt các loại tia X là khả năng xuyên thấu của chúng Ông cho rằng bức x X xuất phát từ những phần bên trong nguyên tử, nên để nghiên cứu chính x c về phổ tia X chính là cách tìm hiểu bên trong nguyên tử Ông đã sử dụng phương pháp chụp ảnh mạng tinh thể để khảo sát nhiễu x , Siegbahn đã thiết kế các máy đo phổ tia X và đo được... Theo phát hiện của ông tia electron có bản chất sóng nên có thể dùng để nghiên cứu cấu trúc của phân tử Tuy nhiên tia electron chủ yếu tán x bởi hạt nhân nguyên tử, còn tia X tán x trên đám mây electron bao quanh hạt nhân nguyên tử Cho nên giao thoa của tia X cho biết trọng tâm của các đám mây Cơ sở lý thuyết x y dựng Cường độ tán x tia X giảm đều hi giảm góc θ giữa tia sơ cấp và tia thứ cấp đối với... các phân tử trong đó sắp x p rất đều đặn Ông lâp tức nghĩ rằng các sợi này là vật cực kì tốt để nghiên cứu bằng nhiễu x tia X Cuối cùng, ông cùng với những người bạn của ông đã thu được số liệu chi tiết về nhiễu x tia X của DNA Đó là dữ liệu duy nhất có thể mô tả đầy đủ cấu hình ba chiều của phân tử Phương pháp nhiễu x tia X với độ chính x c cao đã làm cho ảnh nhiễu x tia X của các sợi DNA khá đẹp... giống nhau sắp x p một cách đơn giản Nếu có tia X chiếu vào, chúng có thể gây ra những hiệu ứng giao thoa có thể phân tích được Giống như trường hợp tia X tác dụng lên tinh thể, đối với chất khí cường độ của tia nhiễu x cũng thay đổi theo góc nhiễu x theo một quy luật Trang 20 Ông cho một chùm tia X có bước sóng cho trước chiếu vaoì chất khí và bằng cách chụp ảnh ghi nhạn sự nhiễu x tia X trong chất... truyền qua của tia X ` Trang 9 Phương pháp Laue phản x tia X Kết quả: Ngay lần chụp ảnh đầu tiên, những chỗ có cường độ cực đại như Laue dự đoán đã thấy rõ dưới dạng những chấm đen trên phim đặt sau tinh thể Việc phát hiện ra nhiễu x tia X bởi tinh thể của Laue: -Tia X là sóng và bước sóng của tia X là rất ngắn -Một phát hiện quan trọng nhất trong lĩnh vực tinh thể lọc, bởi vì có thể x c định được... bố của nguyên tử nhờ những hiện tượng x y ra khi chiếu tia X vào tinh thể- hiện tượng nhiễu x - kết quả của tinh thể gửi tia X ra theo một số hướng nhất định.Phương và cường độ của những chùm tia phản x này phụ thuộc vào kiểu và phân bố của các nguyên tử bên trong tinh thể,do đó dùng để x c định cấu trúc tinh thể Kể từ khi Max Von Laue phát hiện ra tia X nhiễu x bởi tinh thể, kỹ thuật khi ấy đã khá... nhẹ,và bức x này thích hợp để nghiên cứu đối với những nguyên tử có trọng lượng lớn Bức x đặc trưng được xuất phát từ tia X nên sự phát x bức x đặc trưng đi kèm với sự hấp thụ tia X. Những yếu tố như tỉ trọng,nhiệt độ,trạng thái kết tụ thành phần hoá học không phải là chủ yếu.Tính chất riêng của các nguyên tử mới quyết định độ hấp thụ Tạo bức x đặc trưng phải dùng tia X sơ cấp có độ xuyên thấu... ta thấy rõ tia X được phát ra từ bên trong nguyên tử,và việc nghiên cứu chính x c phổ tia X giúp ta hiều được quá trình bên trong nguyên tử Năm 1924, Viện Hàn Lâm hoa học Hoàng Gia Thụy Điển trao giải Nobel Vật lý cho Karl Manne Georg Siegbahn vì những phát hiện và nghiên cứu về phương pháp phổ tia X Ông đã giả định bức x tia X giống như bức x lâu nay vẫn có tên là ánh sáng hay là bức x nhiệt, gồm . tia X tới.Và tia X này có khả năng xuyên thấu và có tính chất như tia X sơ cấp nên tia X này được xem là bức x sơ cấp bị khuyết tán. -Một loại tia X không. không biết đến tia X: chụp X- quang x ơng , phổi, chụp cắt lớp CT kiểm tra sọ não; phân tích thành phần bằng huỳnh quang tia X, dùng tia X để biết được