Bài giảng NHIỄU xạ TIA x

20-9-2006 1 Tác giả: ThS. Bùi Đức Thuần Tổ bộ môn Hóa Vô cơ Khoa Hóa học Trường ĐHSP Hà Nội 20-9-2006 2 TIA X  Tia X và tia γ  Giống nhau: Đều là các bức xạ điện từ có bước sóng ngắn, năng lượng lớn  Khác nhau: Tia X có bước sóng nằm giữa bước sóng của tia tử ngoại và tia γ; Tia X thường được tạo ra trong quá trình tương tác giữa một chùm tia electron với các electron của nguyên tử, tia γ được sinh ra bởi sự thay đổi bên trong hạt nhân nguyên tử 20-9-2006 3 TIA X  Các thông số về tia X  Năng lượng: 200eV – 1MeV  Bước sóng: 10 nm – 1 pm  Bước sóng thuận tiện cho nghiên cứu nhiễu xạ tia X là 0,05 – 0,25 nm. (khoảng cách giữa các nguyên tử trong tinh thể ~ 0,2 nm) 20-9-2006 4 Wilhelm Conrad Röntgen Wilhelm Conrad Röntgen tìm ra tia X vào năm 1895. Năm 1901 ông được trao giải Nobel Vật lý. Năm 1995 công ti German Federal Mail phát hành con tem tưởng nhớ đến công lao của W. C. Röntgen. 20-9-2006 5 Tia X được tạo ra bằng cách bắn phá một chùm electron vào một bia kim loại. <1% năng lượng tia electron chuyển thành tia X Tinh thể kim loạI Be trong suốt đối vớI tia X (do có ít electron trên mỗI nguyên tử) nên được làm cửa sổ của ống phóng tia X TẠO TIA X Trong một số trường hợp, người ta còn sử dụng các nguồn đồng vị phóng xạ. Nước làm lạnh Bia kim loại Sợi đốt Wonfram Dòng đốt nóng sợi đốt Ống chân không Pha rọi Tia X Cửa sổ bằng Be Nối đất Điện cao thế 20-9-2006 6 PHỔ PHÁT XẠ TIA X  Phổ tia X liên tục • Với mỗi thế tăng tốc ta thu được một phổ tia X liên tục gồm một dải bước sóng khác nhau. Thế tăng tốc càng lớn thì phổ càng dịch chuyển về bước sóng ngắn. • Tia X phát ra trong các va chạm giữa electron và nguyên tử của anot. Mỗi electron mất năng lượng theo các cách khác nhau nên phổ tia X thu được là liên tục • Thế tăng tốc cần để tạo ra tia X có bước sóng tương đương với khoảng cách giữa các nguyên tử trong tinh thể cỡ 10 kV (Hãy tìm mqh giữa giới hạn sóng ngắn và thế tăng tốc?) 20-9-2006 7  Vạch tia X đặc trưng • Electron tới có năng lượng đủ lớn làm bật một electron lớp trong và làm nguyên tử bia bị kích thích với một lỗ trống. • Khi lỗ trống này được làm đầy bởi 1 electron lớp ngoài thì 1 photon tia X được phát ra • Các photon này có năng lượng bằng hiệu hai mức năng lượng và đặc trưng cho kim loại được làm bia • Phổ của các photon này là các pic nét chồng lên phổ liên tục • Thế tăng tốc chỉ làm thay đổi giới hạn bước sóng ngắn của phổ liên tục, không làm thay đổi bước sóng vạch đặc trưng • Cường độ của vạch đặc trưng phụ thuộc vào thế tăng tốc và cường độ dòng của ống phát PHỔ PHÁT XẠ TIA X 20-9-2006 8  Kí hiệu vạch tia X đặc trưng • Nếu lỗ trống ở lớp K và được làm đầy bởi một electron trên lớp L, M, … thì ta có dãy vạch Kα, Kβ,… • Nếu lỗ trống ở lớp L và được làm đầy bởi một electron trên lớp M, N, … thì ta có dãy vạch Lα, Lβ,… • Có hai vạch Kα là Kα1 và Kα2 (?) rất xít với nhau và có cường độ tỉ lệ 2:1. • Tỉ lệ cường độ Kα1: Kα2: K β = 10:5:2 PHỔ PHÁT XẠ TIA X 20-9-2006 9 20-9-2006 10  Giá trị bước sóng vạch tia X đặc trưng • Để có các tia X với λ khác nhau, người ta dùng các kim loại khác nhau làm anot. Mối quan hệ giữa λ, X được mô tả bởi định luật Moseley: 1/ λ = R(Z-1)(1-1/n 2 ) λ: bước sóng; R = 109737 hằng số Rydberg; Z: số hiệu nguyên tử; n là một số nguyên, n = 2, 3 đối với vạch Kα và Kβ tương ứng Nguyên tố Z Kα1 (nm) Kα2 (nm) Kβ Ngưỡng V Cr 24 0,229361 0,228970 0,208487 5950 Fe 26 0,193736 0,193998 0,193604 7100 Co 27 0,179026 0,179285 0,178897 7700 Ni 28 0,1662 0,1658 0,1500 8300 Cu 29 0,154184 0,154439 0,1544056 9000 Mo 42 0,071073 0,071359 0,070930 20000 Ag 47 0,0564 0,0559 0,0497 25600 PHỔ PHÁT XẠ TIA X (?) [...]... bức x tia X Tuy nhiên các kết quả thu được cũng có thể dùng chung cho nhiễu x electron, nơtron, … 20-9-2006 16 NHIỄU X TIA X Phản x ; tán x ; giao thoa?  Phản x : Tia tới bị phản x bởi một mặt phẳng; góc tới bằng góc phản x ; năng lượng cũng như bước sóng không thay đổi  Tán x : Tia tới va chạm với một điểm vật chất nào đó; điểm vật chất này trở thành một nguồn bức x thứ cấp phát bức x (tia. .. tiện nếu xem chúng là bị phản x  Mỗi mặt phẳng nguyên tử phản x sóng tới độc lập với nhau và được coi là “mặt phản x  Tia nhiễu x được coi là tia phản x  Điều kiện nhiễu x : nλ = 2dsinθ (Các bạn hãy chứng minh???) λ là bước sóng tia X tới; d là khoảng cách giữa các mặt phẳng trong họ mặt phẳng song song; θ là góc phản x ; n là bậc phản x 20-9-2006 20 NHIỄU X TIA X nλ = 2dsinθ  Chỉ những họ... hợp các tán x đàn hồi đặc biệt từ các điểm khác nhau của tinh thể đảm bảo điều kiện giao thoa tăng cường  Kết quả: Thu được các chùm tia nhiễu x theo các hướng x c định, đặc trưng cho tinh thể Các tia nhiễu x này có thể được ghi lại dưới dạng ảnh nhiễu trên phim hoặc được vẽ thành giản đồ nhiễu x 20-9-2006 18 NHIỄU X TIA X  Hiện tượng nhiễu x tia X được quan sát đầu tiên bởi Max Von Laue (1879... Hiện tượng nhiễu x tia X được giải thích bởi hai cha con gia đình Bragg năm 1913 (Wiliam Henry Bragg (cha), 1862-1942, và Wiliam Lawrence Bragg (con), 18901971, hai nhà vật lý người Anh, giải thưởng Nobel vật lý năm 1915) n⋅λ d= 2 ⋅ sin θ 20-9-2006 19 NHIỄU X TIA X  Điều kiện nhiễu x tia X – Định luật Bragg  Các tia X không thực sự bị phản x mà chúng bị tán x , song rất thuận tiện nếu xem chúng... Bragg mới cho chùm tia nhiễu x có thể quan sát được  Muốn thỏa mãn đl Bragg phải có λ ≤ 2d, mà trong tinh thể d cỡ Å nên chỉ thấy hiện tượng nhiễu x tia X (không thấy hiện tượng nhiễu x của ánh sáng nhìn thấy và tia γ (?))  Một mặt phẳng chỉ phản x một phần rất nhỏ chùm tia X tới, vì nếu không thì mặt phẳng đầu tiên đã phản x hết, sẽ không còn gì để các mặt phẳng sau phản x và như vậy sẽ không... HẤP THỤ TIA X Khi tia X đi vào môi trường vật liệu sẽ có các hiện tượng: Sự khuyếch tán, Hiệu ứng quang điện, Phát huỳnh quang và Sự tạo thành cặp electron – positron Kết quả là cường độ tia X giảm dI = -µIdx ⇒ I = Ioexp(- x) Io và I là cường độ tia tới, tia ló; x là bề dày của vật liệu; µ là hệ số hấp thụ 20-9-2006 11 PHỔ HẤP THỤ TIA X • Nhìn vào phổ hấp thụ tia X ta thấy:  Khi bước tia X sóng giảm... thứ cấp phát bức x (tia tán x ) ra các hướng khác nhau Tia tán và tia tới có năng lượng có thể bằng nhau (tán x đàn hồi) hoặc khác nhau (tán x không đàn hồi)  Giao thoa: Là hiện tượng cộng hợp sóng Có giao thoa tăng cường (các sóng tới cùng pha) và giao thoa triệt tiêu (các sóng tới ngược pha) 20-9-2006 17 NHIỄU X TIA X Nhiễu x ?  Có hai cách hiểu:  Tập hợp các phản x đặc biệt từ một họ mặt phẳng... 20-9-2006 12 TIA X  Tia X đơn sắc  Dùng tấm kim loại có biên hấp thụ thích hợp để hấp thụ bức x Kβ và cho bức x Kα đi qua Bức x Vật liệu lọc Độ dày (mm) Độ truyền qua của Kα (%) Cr - Kα V 0,018 50 Fe - Kα Mn 0,016 46 Cu - Kα Fe 0,018 44 Cu - Kα Ni 0,021 40 Mo - Kα Zn 0,108 31  Dùng bộ đơn sắc tinh thể: Một tinh thể đã biết định hướng sao cho chỉ nhiễu x tia Kα mà không nhiễu x tia Kβ  Trong... sẽ không có hiện tượng giao thoa 20-9-2006 21 NHIỄU X TIA X nλ = 2dsinθ  Họ mặt phẳng phản x có thể là bất kì một họ mặt phẳng nào của tinh thể, do đó trong tinh thể có rất nhiều họ mặt phẳng phản x khác nhau (chú ý không nhầm lẫn giữa mặt phẳng phản x với mặt ngoài của tinh thể)  Bản chất của tia tới có thể khác nhau (tia X, nơtron, electron, ) Các tia này cũng không nhất thiết rơi từ ngoài vào... 26 NHIỄU X TIA X  Trở lại với điều kiện nhiễu x Bragg • Ta có:nλ = 2d(hkl).sinθ • Khi n = 1: λ = 2d(hkl).sinθ • Khi n>1, ta có thể viết lại: λ = 2(d(hkl)/n).sinθ = 2d(HKL).sinθ • Như vậy, phản x của họ mặt (nh nk nl) có thể được coi là phản x bậc n của họ mặt phẳng (hkl) và ngược lại Để đơn giản trong các trường hợp ta có thể viết là: λ = 2d(HKL).sinθ • Trong quá trình khai thác giản đồ nhiễu x . ta sẽ x t hiện tượng tinh thể làm nhiễu x bức x tia X. Tuy nhiên các kết quả thu được cũng có thể dùng chung cho nhiễu x electron, nơtron, … 20-9-2006 17 NHIỄU X TIA X Phản x ; tán x ; giao. Bragg 20-9-2006 20 NHIỄU X TIA X  Điều kiện nhiễu x tia X – Định luật Bragg  Các tia X không thực sự bị phản x mà chúng bị tán x , song rất thuận tiện nếu xem chúng là bị phản x .  Mỗi mặt. thể. Các tia nhiễu x này có thể được ghi lại dưới dạng ảnh nhiễu trên phim hoặc được vẽ thành giản đồ nhiễu x . 20-9-2006 19 NHIỄU X TIA X θ λ sin2⋅ ⋅ = n d  Hiện tượng nhiễu x tia X được