Mỗi khi đến phòng khám nha khoa để chụp X-quang, nhiều người từng được nhân viên y tế khoác lên người một chiếc áo bảo hộ nặng nề, bên trong có lớp chì mỏng. Đây là hình ảnh quen thuộc đến mức ít ai đặt câu hỏi tại sao người ta lại chọn chì thay vì sắt, một kim loại phổ biến và có độ bền cao.
Câu trả lời thường được đưa ra là chì có mật độ lớn, giúp ngăn chặn bức xạ tốt hơn. Điều này không sai, nhưng chưa đủ để giải thích sự khác biệt đáng kinh ngạc giữa hai kim loại. Chì chỉ đặc hơn sắt khoảng 1,5 lần, trong khi 1 mm chì có thể đạt hiệu quả chắn tia X nha khoa tương đương với 2 cm sắt.
Bí mật nằm ở số proton trong hạt nhân nguyên tử
Để hiểu tại sao chì có khả năng chắn tia X vượt trội, trước hết cần phân biệt các loại bức xạ ion hóa. Đây là những dạng bức xạ mang đủ năng lượng để đánh bật electron khỏi nguyên tử khi tương tác với vật chất.
Hạt alpha gồm hai proton và hai neutron, có kích thước và khối lượng tương đối lớn nên không thể xuyên qua lớp ngoài cùng của da người. Hạt beta là những electron chuyển động nhanh, có thể bị ngăn chặn bằng quần áo hoặc một tấm nhôm mỏng.
Trong khi đó, tia X và tia gamma khó kiểm soát hơn nhiều. Chúng là những photon không mang điện tích, có khả năng xuyên qua vật chất và chỉ bị suy giảm khi tương tác với các thành phần bên trong nguyên tử. Để chắn những loại bức xạ này, người ta thường cần chì hoặc những bức tường bê tông dày.
Quá trình photon tương tác với vật chất chủ yếu diễn ra theo ba cơ chế: hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp. Trong đó, hấp thụ quang điện là cơ chế quan trọng nhất ở mức năng lượng tia X y tế.
Đây cũng chính là điểm tạo nên lợi thế đặc biệt của chì.
Có hai yếu tố quyết định khả năng một vật liệu ngăn chặn photon. Yếu tố đầu tiên là số lượng electron mà photon có thể gặp trên mỗi centimet vật liệu. Càng nhiều electron, xác suất xảy ra tương tác càng lớn.
Xét theo tiêu chí này, chì không vượt trội sắt quá nhiều. Một centimet khối sắt chứa số nguyên tử nhiều hơn 2,5 lần so với cùng thể tích chì. Mặc dù mỗi nguyên tử chì có nhiều electron hơn, mật độ nguyên tử cao của sắt giúp bù đắp đáng kể khác biệt đó. Tính tổng số electron trên cùng một thể tích, chì chỉ nhỉnh hơn sắt khoảng 20%.
Yếu tố thứ hai mới thực sự tạo nên khoảng cách lớn: số hiệu nguyên tử, tức số lượng proton trong hạt nhân.
Chì có số hiệu nguyên tử 82, trong khi sắt chỉ có 26. Xác suất hấp thụ quang điện tăng theo lũy thừa khoảng bậc 4 đến bậc 5 của số hiệu nguyên tử. Vì vậy, xét riêng từng nguyên tử, chì có khả năng hấp thụ tia X tốt hơn sắt khoảng 100-300 lần.
Nguyên nhân là photon không thể bị hấp thụ hoàn toàn bởi một electron đơn lẻ. Toàn bộ nguyên tử phải tham gia vào quá trình này. Một electron được giữ chặt gần hạt nhân lớn sẽ giúp nguyên tử hấp thụ photon dễ dàng hơn.
Nói cách khác, hạt nhân càng lớn, khả năng giữ electron càng mạnh và khả năng hấp thụ photon càng cao.
Chì vượt trội hơn sắt, nhưng không phải với mọi loại bức xạ
Lợi thế của chì thể hiện rõ nhất khi đối phó với tia X có năng lượng thấp, chẳng hạn bức xạ phát ra từ các thiết bị chụp X-quang y tế.
Ở mức năng lượng này, cơ chế hấp thụ quang điện chiếm ưu thế. Một centimet chì có thể làm suy giảm chùm tia mạnh hơn khoảng 20 lần so với cùng độ dày sắt.
Tuy nhiên, khi năng lượng photon tăng lên, khoảng cách giữa hai vật liệu bắt đầu thu hẹp. Với tia gamma 662 keV phát ra từ đồng vị phóng xạ cesium-137, tán xạ Compton trở thành cơ chế tương tác chủ yếu. Khi đó, số lượng electron mới là yếu tố quan trọng, khiến lợi thế của chì so với sắt chỉ còn khoảng hai lần.
Khả năng chắn bức xạ của vật liệu còn được đánh giá thông qua lớp bán suy giảm (HVL). Đây là độ dày cần thiết để giảm một nửa số photon truyền qua vật liệu.
Với tia gamma 662 keV, lớp bán suy giảm của chì là khoảng 5,5 mm, trong khi sắt cần 12 mm. Bê tông cần khoảng 38 mm và nước cần đến 81 mm.
Đáng chú ý, với tia X có năng lượng 100 keV, chì chỉ cần độ dày khoảng 0,1 mm để đạt mức suy giảm tương ứng, trong khi sắt cần tới 2,4 mm.
Những con số này cho thấy chì đặc biệt phù hợp với các ứng dụng cần vật liệu chắn bức xạ mỏng, nhẹ và có hiệu quả cao.
Khi nước tốt hơn chì trong việc ngăn chặn bức xạ
Một điều ít người biết là chì không phải vật liệu lý tưởng để ngăn chặn mọi loại bức xạ. Đối với neutron, kim loại nặng này gần như mất đi lợi thế vốn có.
Khác với photon, hạt alpha và beta, neutron không mang điện tích. Vì vậy, chúng có thể xuyên qua đám mây electron của nguyên tử mà gần như không bị ảnh hưởng. Neutron chủ yếu tương tác với hạt nhân nguyên tử.
Vấn đề nằm ở chỗ hạt nhân chì quá nặng so với neutron. Khi va chạm với hạt nhân chì, neutron giống như một quả bóng bàn bật vào quả bóng bowling, gần như giữ nguyên tốc độ ban đầu.
Muốn làm chậm neutron, cần một vật liệu có hạt nhân nhẹ, với khối lượng gần tương đương neutron. Hydro là lựa chọn phù hợp vì hạt nhân của nguyên tố này chỉ chứa một proton.
Khi neutron va chạm với hạt nhân hydro, chúng có thể truyền gần như toàn bộ động năng, nhờ đó giảm tốc đáng kể.
Đây là lý do nước, polyethylene, sáp parafin và bê tông thông thường có thể được sử dụng để chắn neutron. Các vật liệu giàu hydro thậm chí cho hiệu quả tốt hơn một số hợp kim kim loại trong những thử nghiệm của NASA.
Trong trường hợp này, một bình nước có thể hữu ích hơn một viên gạch chì. Nguyên lý tương tự cũng được ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu bảo vệ tàu vũ trụ, nơi các loại nhựa giàu hydro được ưu tiên hơn kim loại trong việc làm chậm neutron.
Vì sao không dùng vàng hoặc vonfram thay chì?
Nếu số hiệu nguyên tử càng cao thì khả năng hấp thụ photon càng tốt, nhiều người có thể đặt câu hỏi tại sao không sử dụng vàng hoặc vonfram thay cho chì.
Trên thực tế, vàng và vonfram có nhiều proton hơn chì, đồng thời có mật độ khối lượng cao hơn khoảng 1,5 lần. Chúng có thể ngăn chặn tia gamma bằng những lớp vật liệu mỏng hơn. Uranium nghèo, với 92 proton, thậm chí còn cần độ dày nhỏ hơn.
Tuy nhiên, hiệu quả vật lý không phải yếu tố duy nhất quyết định một vật liệu có được sử dụng rộng rãi hay không.
Chì có giá khoảng 1 USD mỗi pound và nóng chảy ở 327 độ C. Nhờ nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp, kim loại này có thể được đúc thành gạch hoặc cán thành tấm bằng những thiết bị gia công thông thường.
Ngược lại, vonfram có nhiệt độ nóng chảy vượt 3.400 độ C và giá nguyên liệu thô cao hơn chì ít nhất 10 lần. Uranium nghèo lại tiềm ẩn nguy cơ phóng xạ và độc tính hóa học nếu xâm nhập vào cơ thể. Còn vàng, dù có khả năng chắn bức xạ, rõ ràng không phải lựa chọn kinh tế để sản xuất áo bảo hộ.
Sự kết hợp giữa hiệu quả chắn tia X, giá thành và khả năng gia công đã giúp chì trở thành vật liệu quen thuộc trong lĩnh vực y tế.
Dù vậy, một thay đổi đáng chú ý đã diễn ra vào tháng 2/2024. Một hội đồng thuộc Hiệp hội Nha khoa Mỹ đã thay đổi khuyến nghị, không còn đề xuất sử dụng áo chì và vòng cổ chì cho bệnh nhân trong quá trình chụp X-quang nha khoa.
Điều này không xuất phát từ việc chì mất khả năng chắn bức xạ. Một lớp chì dày 0,25 mm vẫn có thể làm suy giảm khoảng 90% chùm tia X trong môi trường bệnh viện, còn độ dày 0,5 mm giúp con số này đạt khoảng 97%.
Lý do nằm ở sự tiến bộ của công nghệ chụp X-quang. Các thiết bị kỹ thuật số hiện đại cùng khả năng giới hạn chùm tia chỉ tập trung vào khu vực răng cần chụp được đánh giá là có thể bảo vệ bệnh nhân tốt hơn việc sử dụng áo chì.
Vì vậy, nếu nha sĩ ngày nay không còn đưa cho bạn chiếc áo bảo hộ nặng nề trước khi chụp X-quang, điều đó không có nghĩa chì đã trở nên kém hiệu quả. Nguyên lý vật lý vẫn không thay đổi. Chỉ là công nghệ hiện đại đã giúp việc kiểm soát bức xạ trở nên chính xác hơn, khiến vai trò của chiếc áo chì quen thuộc không còn như trước.
Đức Khương
