Phát hiện đột phá về cơ chế phát tia X sau hàng thập kỷ bí ẩn

Từ những năm 1960, các nhà khoa học đã phát hiện một hiện tượng kỳ lạ khi nghiên cứu về tia X và các hiện tượng điện khí tương tự. Trong các thí nghiệm mô phỏng những hiện tượng này, các electron – vốn được gia tốc giữa hai điện cực – lại có năng lượng vượt xa mức điện áp áp dụng, đôi khi gấp hai hoặc ba lần. Hiện tượng này thách thức một nguyên lý cơ bản của vật lý. Sau hàng thập kỷ tìm kiếm lời giải, gần đây, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Penn State đã làm sáng tỏ cơ chế gây ra hiện tượng kỳ lạ này. Cùng Techie tìm hiểu nhé!

Điều gì xảy ra khi electron vượt ngưỡng năng lượng?

Victor Pasko, giáo sư kỹ thuật điện tại Penn State, giải thích: “Trong các thí nghiệm này, điện áp được đặt giữa hai điện cực là các chất dẫn điện. Electron được tăng tốc qua một khoảng không gian, có thể là khí hoặc chân không. Theo lý thuyết, năng lượng mà electron đạt được phải tương đương với điện áp áp dụng. Nhưng chúng tôi nhận thấy năng lượng của electron vượt xa con số đó.”
Qua mô hình toán học, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng hiện tượng này là kết quả của một quá trình phản hồi năng lượng đặc biệt. Khi các electron va chạm với vật liệu của điện cực, chúng phát ra tia X được tạo thành từ các photon (những hạt ánh sáng không có khối lượng hay điện tích). Một số photon này phản xạ ngược lại, giải phóng thêm electron từ điện cực đối diện. Những electron mới này tiếp tục được tăng tốc và chu trình này lặp đi lặp lại, tạo ra mức năng lượng cực kỳ cao.

Tác động của hình dạng và vật liệu điện cực

Nhóm nghiên cứu cũng khám phá rằng hình dạng và vật liệu của điện cực ảnh hưởng lớn đến hiện tượng này. Pasko cho biết: “Hiệu ứng mạnh nhất xảy ra khi điện cực có bề mặt phẳng, bởi diện tích lớn giúp tăng tương tác giữa các electron và photon. Trong khi đó, điện cực có hình dạng như mũi kim làm giảm đáng kể hiệu ứng này.”
Ngoài ra, họ đã thử nghiệm các vật liệu khác nhau thông qua mô phỏng và mô hình hóa. Theo Pasko, vonfram – loại vật liệu tiêu chuẩn trong sản xuất tia X vẫn cho kết quả tối ưu. Tuy nhiên, nghiên cứu đã xác định thêm nhiều vật liệu tiềm năng để tạo ra tia, từ đó mở ra cơ hội cải tiến kỹ thuật trong tương lai.

Phát hiện này không chỉ giúp giải quyết một dấu hỏi lớn vật lý kéo dài hàng thập kỷ mà còn mang lại tiềm năng lớn cho ngành công nghiệp y tế và công nghệ. Các nhà nghiên cứu mong đợi công trình này có thể thúc đẩy nghiên cứu mới về sản xuất electron năng lượng từ vật liệu rắn, có khả năng làm cho máy X-quang nhanh hơn, nhẹ hơn và nhỏ gọn hơn.

>> Xem thêm: Lịch sử kỳ lạ của mã vạch: từ cứu người đến nỗi lo về tận thế