Khảo sát hiệu ứng matix và ảnh hưởng của hiệu ứng matix

BO GIAO DUC & DAO TAO TRUONG DAI HOC SU PHAM TP HO CHi MINH KHOA VAT LY Corre { UẬN YĂÑ TỐT NGHIỆP KHẢ0 SÁT HIỂU ỦNG MẠTMMY @ ANH HUONG CHA HEU ONG MATRIN Giáo hướng viên dẫn : Thầy TẠ HƯNG QUÝ Thac Si TRAN PHONG DUNG Sinh vién thc hién : HUYNH DINH THAO TRANG NIEN KHOA 1997 - 2001 Em % Ban ⁄ win Gaim chin Uhanh hiéu Sr wing da che phép va lac cam on! va ‘Ban chi nhiém Khoa dieu kien dé em thie hien Val bain rai 38 Shiy 44 HUNG SUNG gen dé hin linh hiding him BỊ Suan DUG va Thac si TRAN PHONG (nin din va yp, doom tang bhey van he’ Shiy, €é Khoa Val Sy da tuayén thy kien (hước che em tong suél thei gian hoe lip as ting lal ca cic tan lhanh tuin van dé ding vin, gtiifp de 60 hoan ` + -ĐŒ MO BAU Zật lý hạt nhân mũi nhọn ngành vật lý đại với nhiều ứng dụng quan trọng thực tế Một ứng dụng cung cấp số phương pháp vật lý cho việc phân tích định tính định lượng nguyên tổ, tiêu biểu phương pháp huỳnh quang tia X, phương pháp dụ hình thành phát triển sớm Cho đến nay, phương pháp chứng tỏ phương pháp hữu hiệu với ưu điểm vượt trội : đơn giả, không phá hủy mẫu, thời gian phân tích ngắn mà kết phân tích lại xác đặc biệt hiệu kinh tế cao Do đó, phương pháp ngày sử dung rộng rãi nhiều lĩnh vực công nghiệp, sinh học y học khảo cổ hoc hội họa, môi trường Ay nhiên, tương lai, yêu cầu sống cao, máy móc ngày đại nên địi hỏi phải đạt kết phán tích xác 5o đó, luận văn để cập đến vấn để sau : - Những trình vật lý xảy bên môi trường vật chất tia X vào, - _ Giới thiệu hiệu ứng xảy nguyên tố mẫu phân tích - Đưa vài phương pháp hiệu chỉnh tương tác ‹ Zrong pham vi luận văn tốt nghiệp cộng với hạn chế vẻ thời gian, điều kiện thực nghiệm việc nghiên cứu chưa thật hồn hảo, khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhân quan tâm, đóng góp ý kiến Thầy, Cô bạn ! CHUONG I = GIOl THIEU TIA X SO LUGC TIA X TUONG TAC CO BAN CUA TIA YOI YAT CHAT QUA TRINH PHAT XA LY THUYET PHAT XA HUYNH QUANG TIA %4 = _ THƯ-VIÊN '3 fou" H‹;IG Sự er idee LUAN VAN TOT NGHIEP Pham _J Trang SƠ LƯỢC TIA X I SO LUGC TIA X: 1.1 BUC XA DIEN TU : Bức xạ điện từ dạng lượng truyền khơng gian tương tác với nguyên tử phân tử để biến đổi trạng thái lượng chúng Bản chất xạ điện từ giải thích việc kết hợp hai lý thuyết : - Thuyết sóng : mơ tả tính chất sóng xạ điện từ biểu thông qua tượng khúc xạ, phản xạ, xạ Trong xạ điện từ biết đến dạng lượng có từ việc hợp hai sóng trực giao có tần số vàbước sóng : điện trường đao động, từ trường dao động, từ mà xuất thuật ngữ xạ điện từ Cũng theo thuyết cho tích số tần số bước sóng xạ tương đương với vận tốc truyền sóng, điều thể qua phương trình : Àxv=c (1.1) c : vận tốc truyền sóng chân không ( 3.10”” em ) - Thuyết lượng tử : bổ sung cho xạ điện từ tính chất lượng xạ điện từ, tìm thấy tỷ lệ với tần số: E=hxv h : Hing s6 Plank (6,6 10°’ erg.s) Kết hợp (1.1) (1.2) suy : (1.2) E =hxv = hxc/A Thay giá trị h c ta : E = 12,369/ (keV) (1.3) (1.4) Công thức (1.4) thể mối quan hệ lượng lượng tử photon với bước sóng xạ điện từ tương ứng 1.2 BUC XA TIA X: Tia X xạ điện nên có đẩy đủ tính chất bẳn xạ điện từ phản xạ, nhiễu xạ, khuyếch tán tán xạ Tia X có bước sóng ngắn, khoảng từ 0,1 ® đến 100 @ phân thành lọai : e Tia X cứng : bước sóng từ 0,1 ® đến @ e Tia X mém: bước sóng từ ® đến 100 @ Bức xạ tia X phát sinh hãm đột ngột điện tử có lượng cao hay dịch chuyển điện tử từ quỹ đạo cao sang quỹ đạo thấp nguyên tử Từ ta thu phổ tia X gồm phần : LUAN VAN TOT N GH IEP Trang SO LUOC TIA X + Bức xạ liên tục (còn gọi xạ hãm) + Bức xạ đặc trưng I.2.1 Bức xa liên tục : Sự xạ tia X với dạng hàm trơn liên tục cường độ ứng với lượng gọi xạ hăm hay xạ liên tục Bức xạ kết giảm tốc clecưon lượng cao đập vào bia Các electron xem nguyên tố bia hệ thống phân bố clectron quỹ đạo với lượng khác Khi đập vào bia, electron sé tương tác với clcctron quỳ đạo liên kết chặt yếu phần động biến thành xạ Tính liên tục xạ điện từ hiểu theo quan điểm thuyết điện từ : electron lượng cao bị giảm tốc đột ngột tạo quanh trường điện từ lan truyền không gian theo thời gian tạo nên phổ liên tục, Cường độ xạ phát phụ thuộc vào yếu tố sau: - Xác suất để electron đập vào tương tác với clectron quỹ đạo nguyên tố bia tăng theo bậc số nguyên tử nguyên tố Do cường độ xạ liên tục tăng theo bậc số nguyên tử nguyên tố bia, - Khả để electron đập vào tương tác với clectron liên kết chặt bia tăng theo động clectron bắn phá, mà động clectron tới tăng với tăng gia tốc nên cường độ phân tích xạ tăng theo gia tốc clectưron V (kV) Từ ta có phương trình định lượng : I, = Kj Z (A/Amnin — 1) A? lint = (1,4x10°) ZV" (1.5) (1.6) Chú ý phương trình (1.5) (1.6) phương trình gan chưa tính đến hấp thụ tia X chất liệu bia chất liệu làm cửa sổ ống tia X detector 1.2.2 Bức xạ đặc trưng : Không phải tương tấc clcctron tới clcctron quỹ đạo nguyên tố bia gây nhiễu loạn quỹ đạo clectron nguyên tử nguyên tố bia Sự nhiễu lọan bắt nguồn từ kiện số tương tác có khả nang làm bật vài clcctron khỏi nguyên tử để lại quỹ đạo lỗ trống Khi nguyên tử trạng thái không bền, trạng thái nhanh chóng electron quỹ đạo bên (năng lượng lớn hơn) chuyển lấp đầy lỗ trống Sự dịch chuyển clectron từ mức LUAN VAN TOT NGHIEP Gương SƠ LƯỢC TIA X lượng cao lấp lỗ trống mức lượng thấp thường theo phát xạ có tần số v tính theo hệ thức Einstcin : E, -E, =hxv=h.c/A (1.7) Rõ ràng, lượng xạ phát phụ thuộc vào phân bố lượng electron quỹ đạo nguyên tử nguyên tố bia tức đặc trưng cho nguyên tố nên gọi xạ đặc trưng Moseley tìm biểu thức liên quan tần số (bước sóng) vạch đặc trưng bậc số Z nguyên tố sau : - usR.(Z-a]| Đối với vạch K mh -4 TT (1.8 | thi: v= R(Z 1f[2-2)| (1.9) Đối với vạch L : š u.-R(Z -1)i=3-s 5-3 (1.10) Đối với vạch M : u„-R(Z-8J| —2:| (1.11) Phổ xạ đặc trưng vạch đặc trưng phát dọc theo phổ liên tục xạ liên tục Tuy nhiên, chuyển mức electron xảy quỹ đạo bên ngồi lượng quỹ đạo phát thấp (do độ chênh lệch lượng mức nhỏ) phổ xạ đặc trưng nằm vùng khả kiến tử ngọai, gọi phổ quang học Việc phân tích phổ phức tạp xảy chồng chập vạch, Khi electron chuyển mức lấp đầy lỗ trống lớp K,L., M xuất xạ đặc trưng với lượng lớn tạo thành phổ tia X Như phổ tia X phổ ngun tử mang tính đơn trị đặc trưng cho nguyên tử LUAN VAN TOT N GHIEP Trang SO LUOC TIA X II TƯƠNG TÁC CƠ BẢN CỦA TIA X VỚI VẬT CHẤT: Khi chùm tia X qua môi trường vật chất, số photon tương tác với hệ nguyên tử môi trường vật chất, hai trình tương tác : - hấp thụ - tán xạ 2.1 SỰ HAP THU TIA X : 2.1.1 Hiệu ứng quang điện : Hiệu ứng quang điện hiệu ứng quan trọng nhất, đóng góp phần lớn vào hấp thụ tia X từ nguyên tố mẫu Trong hiệu ứng này, ta thấy có hấp thụ tồn lượng hạt photon tới đập vào clectron liên kết Tuy nhiên điều xảy photon có lượng E lớn lượng liên kết $ clcctron Khi đó, photon biến lượng truyền cho electron liên kết để electron khỏi tầng với lượng (E- 6), electron bitc gọi quang clcctron Ngoài việc phát quang clectron, hiệu ứng quang điện xuất trạng thái không bền nguyên tử Các trạng thái đặc trưng lỗ trống xuất nguyên tử sau electron khỏi quỹ đạo Sau khoảng thời gian ngắn, trạng thái không bền cdc electron từ tầng có lượng liên kết thấp chuyển lấp day lỗ trống Sự dịch chuyển kèm theo phát photon tia X đặc trưng nguyên tử, lượng tia X phát độ chênh lệch lượng hai tầng quỹ đạo điện tử nguyên tử Xác suất xảy hiệu ứng quang điện tầng vỏ nguyên tử gọi tiết diện xảy hiệu ứng quang điện hay gọi hệ số hấp thụ quang điện Phương trình thực nghiệm diễn tả mối phụ thuộc hệ số hấp thụ quang điện tx lớp K với bậc số nguyên tử Z chất hấp thụ lượng E photon sau : t = 1,09#10°*Z° (13,61/E)’? (cm’/ nguyén tk) (1.12) Điểm bật hiệu ứng quang điện khơng thể xảy clectron tự khơng liên quan đến nguyên tử Điều suy từ định luật bảo toàn lượng xung lượng : E=T+6 P.=P, (1.13) (1.15) hay với hv=T+@ (1.14) T: d6ng nang cia electron Thật vậy, giả sử hiệu ứng quang điện xảy với electron ty LUAN VAN TOT NGHIEP Trang SO LUOC TIA X $@ = 0, ta có : => + hv =m.vỶ (1.16) P, = hv/c = mv (1.17) mv/2c=mv v=2c (1.19) (1.18) : điểu xảy Như vậy, hiệu ứng quang điện xảy hệ thống mà clectron liên kết chặt với nguyên tử, xác hiệu ứng quang điện không xảy clectron có liên kết yếu, electron có lượng liên kết nhỏ nhiều so với lượng tia X tới Nói chung, hiệu ứng thường xảy lớp clcctron (K, L) 2.1.2 Hệ số hấp thu khối : Hiệu ứng quang điện mà ta vừa khảo sát góp phần lớn vào suy giảm cường độ tia X qua môi trường vật chất Như vậy, chùm photon tia X qua môi trường vật chất cường độ bị yếu yếu đặc trưng hệ số hấp thụ khối Xét chùm tia X đơn có cường độ I¿(E) tương tác với lớp vật liệu đồng bể dày x (cm), mật độ nguyên tử môi trường p (g/cm'`) Theo định luật Lambert : dl/1= —updx = I(E) = lạ(E)* exp[-k(E)px] u(E) : hệ số hấp thụ khối toàn phần u(E) = 1(E) + øe„(E) + ø„(E) (1.20) (1.21) (1.22) +(E) : hệ số hấp thụ khối quang điện Ø.„(E) : hệ số tán xạ khối kết hợp G,„(E) : hệ số tán xạ khối không kết hợp Khi vật liệu bao gồm hỗn hợp nhiều nguyên tố, hệ số hấp thụ khối tổng hợp : u(E) = >w,H,(E) (1.23) với 4, hệ số hấp thụ khối nguyên tố, hàm ludng w, (Zw, = 1) 2.1.3 Canh hấp thu : Khi chùm photon tới tương tác với mẫu tùy thuộc vào lượng photon ma trình quang điện xảy hay khơng xảy Năng lượng cực tiểu mà đánh bật clectưron từ quỹ đạo nguyên tử nguyên tố cho trước gọi lượng cạnh hấp thụ Vì ngun tử có nhiều phân lớp nên có nhiều cạnh hấp thụ cạnh hấp thụ đặc trưng cho nguyên tố, LUAN VAN TOT NGHI EP Trang SƠ LƯỢC TIA X —Ễ£ — — ——Ễễ—=_ễễEŸễ ẦỄễ_“—_ - Lớp K có cạnh hấp thụ K„ - Lop L có ba cạnh hấp thụ Liat Linett Luutn Cùng nguyên tố, lượng cạnh hấp thụ tuân theo quy luật: Kin > Line > Lett > Lert > «- Cùng phân lớp, lượng cạnh hấp thụ tăng theo bậc số Z 2.1.4 Nguyên lý cạnh hấp thụ : Đối với chùm photon lượng E cho trước, chiếu vào mẫu trường hợp xảy sau : - E < Kụ,: electron lớp K khơng bị đánh bật ra, khơng xuất vạch đặc trưng K phổ - E z K„ : clectron lớp K bị đánh bật ra, hệ số suy giảm tăng đột ngột, xảy tượng hấp thụ quang điện phổ xuất vạch K đặc trưng - E >> K„: lượng photon lớn, có khả vượt qua bia mà không bị hấp thụ Hiệu suất quang điện thấp, đó, phổ khơng xuất vạch đặc trưng 2.2 QUA TRINH TAN XA : Khi photon tương tác với electron nguyên tố bia, xạ xảy chủ yếu lớp tầng điện tử Tán xạ tia X lên nguyên tử xạ đàn hồi lượng photon ban đầu không thay đổi, gọi tán xạ kết hợp hay xạ Rayleigh ; cịn tán xạ khơng đàn hồi nghĩa lượng photon giảm photon phần lượng để phóng thích clcctưon, gọi tán xạ không kết hợp hay tan xa Compton Trong phổ kế huỳnh quang ta X, tán xạ nguyên nhân gây phông phổ huỳnh quang mẫu phân tích Nhận thấy xạ tia X mẫu xảy theo kiểu : 2.2.1 Tan Rayleigh xa : Tan xa Rayleigh kết q trình va chạm khơng đàn hổi photon với clcctron liên kết chặt chẽ nguyên tử, va chạm này, photon bị lệch hướng lượng khơng thay đổi Người ta quan sắt tán xạ kết hợp tăng bậc số nguyên tử tăng nguyên tố nặng có số electron liên kết chặt nhiều 2.2.1 Tan xa Compton : Compton quan sát thực nghiệm thấy tán xạ không đàn hồi chủ yếu tán xạ photon ban đầu electron ty nghĩa clccưon liên kết LUAN VAN TOT NGHIEP Trang