Bài giảng Đại cương bức xạ tia X pdf

Chương 1 Đại cương về bức xạ tia X 1 Chương 1 Đại cương về bức xạ tia X 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1.1 Bức xạ 1. Bức xạ là một dạng năng lượng có bản chất sóng–hạt. 2. Theo lý thuyết sóng, bức xạ là một sóng điện từ điều hòa có điện trường cùng pha và vuông góc với từ trường. Hình 1.1 Dao động điện và dao động từ của sóng điện từ 3. Bức xạ điện từ được biểu thò đặc trưng bằng phương trình sóng điều hòa hình sin: y = Asinωt = Asin2πνt (1.1) trong đó: ω vận tốc góc ν tần số Hình 1.2 Dao động hình sin của sóng điện từ Chương 1 Đại cương về bức xạ tia X 2 4. Sự tổ hợp các sóng cùng tần số khi xem xét về yếu tố pha có thể dẫn đến hai giới hạn biên là sự (1) triệt tiêu và (2) cộng hưởng năng lượng của các sóng này. Hình 1.3 Sự tổ hợp triệt tiêu sóng Sự tổ hợp cộng hưởng sóng 5. Bức xạ điện từ di chuyển trong chân không với vận tốc ánh sáng c ≈ 3×10 8 m/s. 6. Theo lý thuyết hạt, bức xạ bao gồm các “hạt năng lượng” được gọi là photon được thể hiện trong hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton. Hình 1.4 Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng Compton 7. Như vậy, năng lượng của bức xạ đã được lượng tử hóa thành từng lượng tử năng lượng vô cùng nhỏ. 8. Sự tổ hợp các photon không dẫn đến sự triệt tiêu hay cộng hưởng năng lượng của các photon mà chỉ là sự cộng tổng năng lượng của các photon. 9. Chỉ có thể giải thích đầy đủ các hiện tượng xảy ra khi thừa nhận bản chất nhò nguyên sóng–hạt của bức xạ. 1.1.2 Các đại lượng đo bức xạ 1. Bước sóng λ Chiều dài của một dao động hoàn chỉnh của một bức xạ. Đơn vò: m, cm cho bức xạ vi sóng μm cho bức xạ hồng ngoại nm cho bức xạ khả kiến, tử ngoại Å cho bức xạ tia X 1m = 10 2 cm = 10 6 μm = 10 9 nm = 10 10 Å 2. Tần số ν Số dao động trong một đơn vò thời gian. 1- 10 s , (cm) )s/cm( 103c λ × = λ =ν (1.2) 3. Số sóng ν Số dao động trong một đơn vò chiều dài. K cm , c 1 1- ≡ ν = λ =ν (K: kaiser) (1.3) Chương 1 Đại cương về bức xạ tia X 3 4. Năng lượng ε của một photon được xác đònh theo hệ thức Planck: ν= λ =ν=ε hc c hh (1.4) trong đó: h hằng số Planck, h = 6,626×10 –27 erg.s = 6,626×10 –34 J.s ε năng lượng của một photon, tính bằng erg khi ν tính bằng cm –1 hay λ tính bằng cm 1erg = 10 –7 J = 2,3884×10 –8 cal = 0,6241 eV • Ví dụ 1: Một photon bức xạ hồng ngoại có số sóng ν = 1 cm –1 có năng lượng: ε 1cm –1 = hc ν = 6,626×10 –27 erg.s × 3×10 10 cm.s –1 × 1 cm –1 ε 1cm –1 = 1,988×10 –16 erg = 1,988×10 –23 J • Ví dụ 2: Một mol chất hấp thu 1 mol photon bức xạ hồng ngoại có số sóng ν = 1 cm –1 sẽ tăng thêm một lượng năng lượng: E 1cm –1 = ε × N A = 1,988×10 –16 erg × 6,023×10 23 mol –1 = 1,197×10 8 erg.mol –1 E 1cm –1 = 1,197×10 8 erg.mol –1 = 11,97 J.mol –1 = 2,859 cal.mol –1 • Ví dụ 3: Một photon bức xạ tử ngoại có bước sóng λ = 1 nm có năng lượng: ε 1nm = hc/λ = [6,626×10 –27 erg.s × 3×10 10 cm.s –1 ] / 10 –7 cm ε 1nm = 1,988×10 –10 erg = 1,988×10 –17 J • Ví dụ 4: Một mol chất hấp thu 1 mol photon bức xạ tử ngoại có bước sóng λ = 1 nm sẽ tăng thêm một lượng năng lượng: E 1nm = ε × N A = 1,988×10 –10 erg × 6,023×10 23 mol –1 = 1,197×10 14 erg.mol –1 E 1nm = 1,197×10 14 erg.mol –1 = 1,197×10 5 kJ.mol –1 = 2,859×10 4 kcal.mol –1 1.1.3 Tương tác giữa bức xạ với chất 1. Khi một bức xạ đến chất, bức xạ có thể được (1) hấp thu vào chất, (2) truyền qua chất hay (3) phản xạ và (4) tán xạ trên bề mặt chất. 2. Bốn quá trình trên có thể xảy ra đồng thời sao cho tổng năng lượng của chúng bằng tổng năng lượng của bức xạ tới. Hình 1.5 Tương tác Hình 1.6 Mô hình đơn giản và sai lệch giữa bức xạ với chất về quá trình hấp thu và phát xạ điện từ Chương 1 Đại cương về bức xạ tia X 4 3. Quá trình hấp thu không đơn giản là hấp thu năng lượng của một bức xạ và phát xạ trở lại một bức xạ có năng lượng đúng bằng năng lượng được hấp thu vì như vậy sẽ không có phổ hấp thu do không có một biến đổi nào về năng lượng và bước sóng của bức xạ tới sơ cấp và bức xạ ló thứ cấp. 4. Tùy thuộc vào cường độ năng lượng của bức xạ và bản chất của chất hấp thu mà sẽ xảy ra các quá trình chuyển hóa khác nhau đối với năng lượng được hấp thu như quay phân tử, dao động liên kết, kích thích điện tử bên ngoài hay bên trong,… Bảng 1.1 Các quá trình chính xảy ra tương ứng với loại bức xạ kích thích Loại bức xạ Quá trình xảy ra Năng lượng, kJ/mol Vi sóng Quay phân tử hay dao động nút mạng E qy 10 –3 –1 Hồng ngoại Dao động liên kết E dđ 1–10 2 Khả kiến – Tử ngoại Kích thích điện tử bên ngoài E đt 10 2 –10 4 Tia X Kích thích điện tử bên trong E nx 10 4 –10 6 Hình 1.7 Phân loại và tác dụng của các bức xạ điện từ đối với các tiểu phân Hình 1.8 Sơ đồ chuyển mức năng lượng trong quá trình hấp thu bức xạ của điện tử Chương 1 Đại cương về bức xạ tia X 5 5. Một phần năng lượng hấp thu sẽ chuyển sang dao động nhiệt làm cho các chất hấp thu bức xạ nóng lên do các dạng năng lượng quay, dao động, chuyển động tònh tiến,… của các tiểu phân. 6. Phần năng lượng còn lại sẽ được phát xạ trở lại môi trường khi phân tử chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản với giá trò luôn luôn nhỏ hơn giá trò năng lượng bức xạ mà phân tử hấp thu ban đầu. 1.2 Tương tác giữa bức xạ tia X với chất 1. Bức xạ tia X bao gồm các bức xạ có bước sóng λ nằm trong khoảng 10–0,1nm, hay số sóng ν nằm trong khoảng 10 6 –10 8 cm –1 , tương ứng với năng lượng E là 10 4 –10 6 kJ/mol. 2. Với năng lượng cao này, bức xạ tia X có khả năng kích thích các điện tử nằm ở các lớp vỏ bên trong của các nguyên tử. 3. Khi bức xạ tia X sơ cấp đến chất, có thể xảy ra 3 trường hợp khác nhau. 4. Trường hợp 1: Tia X đi xuyên qua chất. Thực tế, có thể xem như bức xạ tia X có năng lượng rất cao nên không bò khúc xạ khi đi qua chất. 5. Trường hợp 2: Tia X tới va chạm vào các nguyên tử nên bò đổi hướng gây ra hiện tượng phản xạ và tán xạ. Tia ló trong hiện tượng tán xạ có thể: a. Không mất năng lượng nên bước sóng không đổi trong tán xạ Reyleigh. b. Mất một phần năng lượng nên bước sóng tăng lên trong tán xạ Raman. 6. Trường hợp 3: Tia X bò nguyên tử hấp thu. Năng lượng hấp thu từ bức xạ sơ cấp sẽ được nguyên tử phát xạ trở lại bằng bức xạ thứ cấp bao gồm: a. Bức xạ điện tử: Năng lượng hấp thu được truyền sang các điện tử ở các lớp vỏ bên trong khiến cho các điện tử này thoát khỏi nguyên tử tạo thành bức xạ điện tử. b. Tia X huỳnh quang: Các điện tử ở các lớp vỏ bên ngoài sẽ chuyển vào các lỗ trống ở lớp vỏ bên trong do quá trình bức xạ điện tử để lại. Quá trình này kèm theo sự phát xạ tia X huỳnh quang thứ cấp có bước sóng đặc trưng cho nguyên tử hấp thu mà không phụ thuộc vào bước sóng tới. Hình 1.9 Sơ đồ phát xạ điện tử Auger và tia X huỳnh quang 1.3 Nguồn phát tia X 1. Khi một dòng điện tử có vận tốc lớn bắn phá đối âm cực trong một đèn chân không thì đối âm cực sẽ phát xạ tia X. Chương 1 Đại cương về bức xạ tia X 6 2. Đối âm cực thường được làm bằng các kim loại chuyển tiếp như Mo, Fe, Cu, Cr, Ag,… với hiệu suất bức xạ rất thấp, <1%. Loại cửa sau Loại cửa bên Hình 1.10 Sơ đồ đèn phát tia X 3. Bức xạ tia X phát ra từ đèn gồm 2 nhóm: a. Nhóm phổ liên tục có cường độ thay đổi liên tục theo bước sóng cho đến một λ min ứng với năng lượng tối đa bằng năng lượng của dòng điện tử bắn phá đối âm cực. b. Nhóm phổ đặc trưng có bước sóng chỉ phụ thuộc vào bản chất của nguyên tố được sử dụng làm đối âm cực. 4. Phổ đặc trưng của mỗi nguyên tố chỉ bao gồm một số rất ít vạch được gọi tên theo dãy K, L, M,… (a) (b) Hình 1.11 (a) Phổ phát xạ liên tục tại 20kV của đối âm cực Mo (b) Phổ phát xạ đặc trưng tại 25 kV của đối âm cực Mo 5. Tần số ν của một vạch phụ thuộc vào nguyên tử số Z của kim loại sử dụng làm đối âm cực theo đònh luật Moseley: )Z(C σ−=ν (1.5) trong đó: C, σ các hằng số, σ ≈ 1 Chương 1 Đại cương về bức xạ tia X 7 (a) (b) Hình 1.12 Cường độ của phổ liên tục tại (a) Các điện thế khác nhau (b) Các kim loại khác nhau với năng lượng 10 keV Hình 1.13 Sơ đồ các mức năng lượng đặc trưng của các vạch K và L 6. Dãy K quan trọng nhất chỉ có 3 vạch có cường độ đáng kể. 7. Hai vạch đậm nhất là K α1 và K α2 nằm sát nhau có tỉ số cường độ. 1 2 I I 2 1 K K = α α Hai vạch này thường không thể tách ra khỏi nhau nên được xem như là một vạch với bước sóng λ Kα : 3 2 21 KK K αα α λ + λ =λ (1.6) 8. Vạch đậm thứ ba là K β có cường độ bằng khoảng 1/7 cường độ của K α . 9. Bức xạ K β được loại bỏ đến 99% bằng kính lọc. Kính lọc thường làm bằng một tấm kim loại có nguyên tử số nhỏ hơn kim loại đối âm cực 1–2 đơn vò. 10. Như vậy, tùy thuộc vào bản chất của kim loại được sử dụng làm đối âm cực mà đèn tia X sẽ phát xạ một phổ liên tục và nhất là một phổ đặc trưng xác đònh. Chương 1 Đại cương về bức xạ tia X 8 Hình 1.14 Bức xạ của đèn Cu và đường cong hấp thu của Ni Bảng 1.2 Các vạch đặc trưng của các kim loại thường được sử dụng làm đối âm cực Vạch đặc trưng, Å Ngtố Z K α1 K α2 K β Thế kích thích, kV Cr 24 2,2896 2,2935 2,0848 6,0 Fe 26 1,9360 1,9399 1,7565 7,1 Co 27 1,7899 1,7928 1,6208 7,7 Ni 28 1,6578 1,6618 1,5001 8,3 Cu 29 1,5405 1,5443 1,3921 8,9 Mo 42 0,7093 0,7135 0,6325 20,0 Chương 2 Truyền qua tia X 9 Chương 2 Truyền qua tia X X-Ray Transmission (XRT) 2.1 Đại cương về truyền qua tia X 1. Khi một chùm tia X đi qua chất, một phần năng lượng bò mất đi do nhiễu xạ và hấp thu. 2. Thực tế, xem như bức xạ tia X có năng lượng rất cao không bò khúc xạ khi đi qua chất. 3. Cường độ của chùm tia X ló sau khi hấp thu cũng tuân theo đònh luật Beer–Lambert: I = I 0 e –μ l ρ (2.1) trong đó: I 0 , I cường độ tia X tới và tia ló μ hệ số hấp thu khối, cm 2 /g l chiều dày lớp mẫu, cm ρ khối lượng riêng của chất hấp thu, g/cm 3 Hình 2.1 Hệ số μ theo λ của Mo 4. Giá trò của hệ số hấp thu khối phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của chất hấp thu. Hệ số hấp thu khối biến đổi nhanh theo nguyên tử số Z của chất hấp thu và bước sóng của tia X tới: 34 Z A cN λ=μ (2.2) Chương 2 Truyền qua tia X 10 trong đó: c hằng số tỉ lệ N số Avogadro, 6,023 ×10 23 mol –1 A nguyên tử khối của nguyên tố hấp thu λ bước sóng của tia X tới Z nguyên tử số 2.2 Ứng dụng truyền qua tia X: Ảnh bên trong của vật 1. Các bức xạ IR, VIS và UV hầu như không thể đi xuyên qua các chất không trong suốt nên chỉ tạo được ảnh bên ngoài của vật. 2. Do tia X có năng lượng cao có thể đi xuyên qua nhiều chất có hệ số hấp thu khác nhau và tạo được ảnh bên trong của vật khi được ghi trên phim được đặt phía bên tia ló. Hình 2.2 Ảnh chụp khả kiến Ảnh chụp tia X tán xạ ngược 3. Người ta sử dụng hiệu ứng này để kiểm tra an ninh, sức khỏe,… nghiên cứu và kiểm nghiệm trong y khoa, sinh học, môi trường, sản phẩm cơ khí, xây dựng, điện tử,… 4. Nhiều phương pháp khác nhau đã được phát triển để thu được các ảnh bên trong đáp ứng được các yêu cầu khảo sát như: Chụp ảnh tán xạ ngược, biến đổi Laplace, chụp ảnh xoắn, cắt lớp (CT),… Hình 2.3 Chụp ảnh xoắn Ảnh chụp tia X cắt lớp (CT) 5. Người ta đã chế tạo các kính hiển vi tia X truyền qua (X-ray microscope ≡ XM) với độ phân giải ε > 15 nm cho phép chụp ảnh bên trong mẫu. 6. XM có độ phân giải cao hơn kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscope ≡ SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission electron microscope ≡ TEM) nên cho ảnh không rõ bằng. Song nó có một ưu thế lớn là cho phép chụp ảnh bên trong mẫu có độ truyền qua thấp mà các phương pháp khác không thỏa mãn được. [...]... x m nhập B- khoáng x m nhập bên trong) Chương 3 Nhiễu x tia X 13 Chương 3 Nhiễu x tia X 3.1 Nhiễu x tia X 1 Hiện tượng nhiễu x là hiện tượng kết hợp của tán x và giao thoa 2 Bức x tia X được sử dụng trong quang phổ có bước sóng nằm trong khoảng 0,5–2,5Å 3 Khoảng cách giữa các nguyên tử trong tinh thể cùng cỡ với bước sóng của bức x tia X này 4 Trong trường hợp bức x tia X tán x thứ cấp trên một... sáng kết hợp mà bức x thứ cấp từ nó có thể giao thoa Hình 3.1 Cấu trúc lập phương x p chặt a = b = c α = β = γ = 900 và phổ nhiễu x tia X của bột Cu Hình 3.2 Cấu trúc tứ phương a = b ≠ c α = β = γ = 900 và phổ nhiễu x tia X của bột Sn 5 Điều kiện để x y ra hiện tượng giao thoa là các bức x tia X tán x thứ cấp xuất phát từ tinh thể phải cùng pha với nhau 6 Các bức x tia X tán x thứ cấp không... nhiễu x x y ra khi thỏa các điều kiện theo đònh luật Bragg: 2dsinθ = nλ (3.2) 10 Mỗi mặt mạng của tinh thể có một khoảng cách d x c đònh nên khi chiếu tia X có bước sóng λ thì hiện tượng nhiễu x chỉ x y ra khi góc tới θ thỏa đònh luật Bragg Hình 3.5 Chứng minh đònh luật Bragg Chương 3 Nhiễu x tia X 15 Hình 3.6 Hình 3.7 Nhiễu x tia X là gì? Thực nghiệm nhiễu x tia X Hình 3.8 Buồng nhiễu x tia X 16... x tia X Trình bày nhận x t của Anh–Chò Phổ nhiễu x tia X của sphalerit như sau: Stt hkl I d Stt hkl I d 1 111 100 3,116 3 311 80 1,630 2 220 90 1,908 4 400 20 1,350 18 Hãy trình bày các kết quả có thể thu được từ giá trò d của phổ phân tích nhiễu x tia X 19 Tại sao trong kết quả phân tích nhiễu x tia X, giá trò d lại quan trọng hơn giá trò I? 20 Có thể so sánh đường nền của 2 phổ nhiễu x tia X. .. số vạch khác lại có cường độ tăng vọt 28 Chương 4 Huỳnh quang tia X Chương 4 Huỳnh quang tia X X-Ray Fluorescence (XRF) 4.1 Huỳnh quang tia X: Kích thích điện tử bên trong Phân tích đònh tính và đònh lượng nguyên tố 1 Trong hiện tượng huỳnh quang, năng lượng hấp thu từ bức x tia X sơ cấp sẽ được nguyên tử phát x trở lại bằng bức x tia X huỳnh quang thứ cấp 2 Ban đầu, năng lượng hấp thu được truyền... của các bức x đặc trưng Cấu trúc điện tử của Ti Huỳnh quang tia X lớp K Huỳnh quang tia X lớp L Phát x điện tử Auger Hình 4.2 Huỳnh quang tia X và phát x điện tử Auger của Ti Hình 4.3 Nguyên tắc phân tích huỳnh quang tia X 30 Chương 4 Huỳnh quang tia X 4.2 Quang phổ huỳnh quang tán sắc bước sóng 1 Phương pháp phân tích huỳnh quang tán sắc bước sóng dựa trên nguyên tắc sau: a Chiếu chùm tia X sơ cấp... phẩm, môi trường,… Hình 4.8 Phổ huỳnh quang tia X của một mẫu sắt phân tích bằng phổ kế tán x năng lượng bằng đèn Rh có ghi kèm giá trò năng lượng Bài tập Các Phương pháp Phân tích Tia X 33 Bài tập 1 Cường độ của một chùm bức x theo bản chất hạt được x c đònh bằng số lượng photon của chùm bức x đó Vậy cường độ của một chùm bức x theo bản chất sóng được x c đònh bằng thông số nào? 2 Tại sao người... tạo thành bức x điện tử 3 Các điện tử ở các lớp vỏ bên ngoài sẽ chuyển vào các lỗ trống ở lớp vỏ bên trong do quá trình bức x điện tử để lại 4 Quá trình này kèm theo sự phát x tia X huỳnh quang thứ cấp có bước sóng đặc trưng cho nguyên tử hấp thu mà không phụ thuộc vào bước sóng của bức x tới Hình 4.1 Sơ đồ phát x điện tử Auger và tia X huỳnh quang 5 Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X sơ cấp... tạp 6 Người ta thường sử dụng bức x huỳnh quang tia X thứ cấp trong phép phân tích đònh lượng các nguyên tố mà không cần phá hủy mẫu Chương 4 Huỳnh quang tia X 29 7 Nguyên tắc là chiếu bức x tia X sơ cấp vào mẫu khiến các nguyên tố có trong mẫu bò kích thích và phát các bức x thứ cấp đặc trưng của các nguyên tố đó 8 Phép phân tích dựa trên cơ sở: • Đònh tính bằng bức x đặc trưng của các nguyên tố... tử bên ngoài t 102–104 Tia X Kích thích điện tử bên trong Enx 104–106 5 Nhiễu x tia X là gì? 6 Hãy trình bày các tương tác có thể x y ra khi một bức x tia X đến một chất 7 Tại sao chúng ta chỉ có phổ phát x đặc trưng của một đối âm cực bằng kim loại khi tăng năng lượng của dòng điện tử bắn phá đối âm cực lên đến một giá trò tối thiểu? Bài tập Các Phương pháp Phân tích Tia X 34 8 Hãy trình bày bản . Chương 1 Đại cương về bức x tia X 1 Chương 1 Đại cương về bức x tia X 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1.1 Bức x 1. Bức x là một dạng. chỉnh của một bức x . Đơn vò: m, cm cho bức x vi sóng μm cho bức x hồng ngoại nm cho bức x khả kiến, tử ngoại Å cho bức x tia X 1m = 10 2 cm