Tia x và ứng dụng của nó trong phân tích cấu trúc tinh thể vật rắn

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ o0o PHẠM THỊ THÚY TIA X VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG PHÂN TÍCH CẤU TRÚC TINH THỂ VẬT RẮN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hà Nội, 2012 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận này, nhận nhiều giúp đỡ nhiệt tình thầy cô Đầu tiên muốn gửi lời cảm ơn tới T.S Lê Đình Trọng người dẫn tận tình, tạo điều kiện tốt giúp đỡ hoàn thành khóa luận Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội người giúp đỡ để hoàn thành khóa luận Trong trình hoàn thành khóa luận, không tránh khỏi thiếu sót, mong góp ý kiến thầy cô để khóa luận đầy đủ Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2012 Sinh viên Phạm Thị Thúy LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận hoàn thành kết nghiên cứu riêng tôi, kết nghiên cứu không chép, không trùng lặp với kết nghiên cứu trước Nếu sai xin hoàn toàn chịu trách nhiệm! Hà Nội, tháng năm 2012 Sinh viên Phạm Thị Thúy MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Năm 1895, W.C Rơngen, nhà khoa học Đức, phát tia lạ có khả tác động lên kính ảnh Ông người đương thời gọi tia X loại tia bí ẩn Dần dần, chất tia X nhận biết, sóng điện từ có bước sóng ngắn, có chất sóng ánh sáng để ghi công người tìm tia X, người ta gọi tia Rơngen Từ đến nay, thuật ngữ tia rơngen hay tia X sử dụng dùng song song tương đương với Tia rơngen hay tia X sử dụng rộng rãi chuẩn đoán điều trị bệnh, kỹ thuật thăm dò khuyết tật đặc biệt phân tích cấu trúc vi mô vật chất Cơ sở để ứng dụng tia rơngen (tia X) nghiên cứu cấu trúc vật chất tượng nhiễu xạ tia rơngen Là sinh viên ngành Vật lí, để chuẩn bị kiến thức cho thời gian học tập, em lựa chọn đề tài “Tia X ứng dụng phân tích cấu trúc tinh thể vật rắn” làm khóa luận tốt nghiệp Mục đích chọn đề tài - Tìm hiểu tính chất đặc trưng tia X, nguồn phát xạ tia X - Ứng dụng nhiễu xạ tia X phân tích cấu trúc tinh thể vật rắn Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu chất tia X phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể Đối tƣợng nghiên cứu - Tia X ứng dụng phân tích cấu trúc tinh thể vật rắn Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu, tổng hợp phân tích kết thực nghiệm NỘI DUNG Chƣơng LÍ THUYẾT TIA X 1.1 Cấu trúc nguyên tử trình phát xạ tia X 1.1.1 Cấu trúc nguyên tử nguyên tố kim loại Vị trí kim loại hệ thống tuần hoàn: - Nhóm IA (trừ H), nhóm IIA: kim loại nguyên tố s - Nhóm IIIA (trừ B), phần nhóm IVA, VA, VIA: kim loại nguyên tố p - Nhóm B (từ IB đến VIIB): kim loại chuyển tiếp, nguyên tố d - Họ lantan antini: xếp riêng hàng cuối bảng, nguyên tố f Cấu tạo nguyên tử kim loại: - Hầu hết nguyên tử kim loại có 1, hay electron lớp - Bán kính nguyên tử nguyên tố kim loại nhìn chung lớn bán kính nguyên tử nguyên tố phi kim Cấu hình electron nguyên tử số nguyên tố: Fe (z=26): 1s 2s 2p6 3s 3p6 4s 3d Cu (z=29): 1s 2s 2p6 3s 3p6 4s13d10 Mo (z=42): 1s2 2s2 2p6 3s 3d 4s 3d10 4p6 5s1 4d5 1.1.2 Phổ tia X đặc trưng phổ liên tục Xét tia X phát từ ống phát mà hai cực nối với nguồn cao áp chiều: katod nối với cực âm anod nối với cực dương Khi Katod bị đốt nóng có nhiệt độ cao (2000 oC), từ bề mặt katod có tượng xạ điện tử Dưới tác dụng điện trường điện cực, điện tử tự gia tốc bay phía anod với tốc độ lớn Khi gặp anod chúng bị hãm lại đột ngột từ bề mặt anod phát tia X với tập hợp bước sóng tạo thành phổ tia X Kết thực nghiệm cho thấy phổ tia X có cấu trúc phức tạp Có thể chia phổ làm hai phần rõ rệt: + Khi thay đổi  cường độ I thay đổi cách liên tục, không đột biến giá trị bước sóng cực tiểu  tới giá trị bước sóng lớn Phần phổ ứng với đường cong gọi phổ liên tục + Trên phổ liên tục , số giá trị bước sóng  cố định cường độ I đột biến tăng lên có giá trị lớn Phần phổ tia X phổ đặc trưng Cường độ ứng với bước sóng I(  ) phổ liên tục nhỏ nhiều so phổ đặc trưng Trong nhiều trường hợp phổ tia X coi đơn sắc, tức phần phổ liên tục cường độ chúng nhỏ nhiều so với phổ đặc trưng 1.1.2.1 Phổ liên tục - Phổ liên tục bao gồm tập hợp bước sóng cường độ thay đổi theo bước sóng không đột ngột - Phổ liên tục giới hạn từ phía sóng ngắn giá trị cực tiểu  Liên hệ  U:   hc eU (1.1) Trong đó: U: điện áp hai cực e: điện tích điện tử h: số Plank c: tốc độ ánh sáng chân không Theo quan điểm lượng tử: Có thể hình dung trình phát phổ liên tục sau: Điện tử chuyển từ kanod với lượng 1 bay tới anod nằm quỹ đạo hở ứng với lượng 1 , điện tử bị hãm phải chuyển sang quỹ đạo khác với lượng  Năng lượng   1   mà điện tử trình hãm chuyển thành lượng photon phát ra: h    1   Tần số  bước sóng  photon phụ thuộc vào giá trị  Đối với quỹ đạo kín, giá trị 1 ,  cố định Vì bước sóng phát xạ có giá trị cố định Nhưng quỹ đạo hở, giá trị 1 ,  số lượng quỹ đạo không hạn chế Chính mà  có giá trị bất kì, dẫn tới   có giá trị bất kì, kết ta thu phổ liên tục Theo thuyết động lực học cổ điển: Quá trình phát tia Rơn-ghen gắn liền với trình hãm chùm điện tử có tốc độ v bề mặt anod Khi gặp anod, điện tử bị hãm đột ngột, chúng thu nhận gia tốc lớn, điện tử có điện tích e bị hãm nên có gia tốc a Vì chúng phát điện từ trường có cường độ : C e 2a EH = I= sin  4 4C R (1.2) Trong I lượng xạ qua đơn vị diện tích đơn vị thời gian Bởi trình hãm điện tử khác hoàn toàn không nhau, xạ phát có thành phần không đồng nhất, có nghĩa chúng phát phổ liên tục với tập hợp bước sóng - Năng lượng xạ dW qua diện tích dS xác định góc không gian d bán kính R bằng: W e 2a C3 (1.3) 1.1.2.2 Phổ đặc trưng - Đặc điểm chung phổ đặc trưng: Ta thấy phổ liên tục, số giá trị bước sóng cố định, cường độ phổ I đột biến tăng lên có giá trị lớn Những bước sóng ứng với cường độ lớn hoàn toàn cố định với loại nguyên tố làm anod Khi thay anod nguyên tố khác, có bước sóng khác tương ứng Tập hợp số hữu hạn bước sóng tạo thành phổ đặc trưng Phổ đặc trưng nguyên tố xuất điện áp hai cực ống phát đạt giá trị U0 định Nhưng U tiếp tục tăng, giá trị bước sóng không thay đổi, cường độ chúng tăng theo Khi thay đổi anod mà số thứ tự Z nguyên tố làm anod tăng, bước sóng phổ đặc trưng giảm Phổ đặc trưng bao gồm số định bước sóng Phổ kế ghi lại phổ đặc trưng dạng vạch gián đoạn Vì phổ đặc trưng gọi phổ vạch - Hình dạng phổ: Phổ đặc trưng bao gồm số bước sóng Mỗi bước sóng  giá trị xác định  cộng trừ với số gia λ: λ = λ0 + λ Vậy bước sóng  (tức vạch phổ) có bề dày định hình dạng định Theo lý thuyết cổ điển: Bề rộng vạch phổ không phụ thuộc vào bước sóng số Theo lý thuyết lượng tử: Giải thích tồn bề rộng vạch phổ cách dùng hệ thức bất định Nguyên tử anod bị kích Hình 1.1 thích, tức điện tử mức i, lúc gọi nguyên tử trạng thái i Nguyên tử có xu hướng trở trạng thái f với lượng nhỏ Xác suất chuyển dời trạng thái p if Tổng xác suất chuyển dời trạng thái i: Pif   pif b Trong đó, i thời gian sống hiệu dụng trạng thái i nguyên tử: i ~ Pi Theo hệ thức bất định, lượng trạng thái i có giá trị khoảng E i xác định theo: E i ~ ~ Pi i Mức i gần hạt nhân bao nhiêu, xác suất Pi lớn nhiêu Gọi Ei , E f bề rộng mức i f Số gia cực đại lượng photon chuyển trạng thái i- f bằng: if  Ei  Ef    E i  E f h  : bề rộng vạch phổ 1.2 Ống phát tia X 1.2.1.: Cấu tạo ống phát điện tử Katod gồm sợi đốt W, cốc tụ tiêu, anod, gương anod, anod làm lạnh đường nước vào, ra, tia rơnghen xuyên qua cửa sổ Be 1.2.1.1 Katod Katod trường hợp đốt trực tiếp sợi W đốt nóng 20000 K dòng điện thấp volt Tùy trường hợp, katod có hình xoắn ốc kéo dài Khi bị đốt nóng điện tử phát từ bề mặt sợi W theo phương Để tập trung chúng phía anod người ta đặt sợi đốt cốc kim loại có điện điện thân katod gọi cốc tụ tiêu Nhờ mà chùm điện tử phát có thiết diện tròn Chế độ làm việc sợi đốt, mật độ xạ nhiệt điện tử:  52400  jw  72T exp   T  Trong công nghiệp sản xuất ống phát, để giảm công thoát U điện tử từ bề mặt katod, người ta phủ lên bề mặt sợi W lớp mỏng Th, Cs oxit chúng 1.2.1.2 Anod Người ta thường làm anod đồng kim loại dẫn nhiệt tốt có nhiệt độ nóng chảy cao (  10000 C ) Trong phân tích cấu trúc quang phổ, cần có nhiều loại xạ, người ta gắn kim loại khác lên khối đồng (thân anod) Đại phận lượng dòng điện ống phát chuyển thành nhiệt điện tử đập vào anod Vì làm lạnh anod việc thiết Người ta làm lạnh anod dòng nước chảy liên tục qua thân anod, trường hợp anod nối đất để đảm bảo an toàn Ngoài phương pháp làm lạnh khác anod xoay 10    Nếu xoay tinh thể theo trục a, b,c , với ba lần chụp, ta xác định số mạng tinh thể a, b, c theo (2.4) Trường hợp trục xoay xiên góc với tia sơ cấp, lớp O không nằm tâm ảnh nhiễu xạ Ta có: y n  R cot y n  R cot  (2.5) Mặt khác ba phương trình Laue có dạng: T(cos n  cos )  n  Trong đó:  - góc hàng tinh thể ( trục xoay) tia sơ cấp s0 Từ xác định yn, xác định chu kì T đo y n ,  Ảnh nhiễu xạ đơn tinh thể xoay có tính đối xứng quanh trục y x vuông góc với qua gốc tọa độ vết tia đâm xuyên phim, trục y song song với trục xoay 2.2.2.2 Các đường giao thoa ảnh nhiễu xạ a) Đường lớp, điều kiện cho vết nhiễu xạ nằm đường lớp Điều kiện số hkl vết nhiễu xạ nằm đường lớp trường hợp trục xoay phương tinh thể [mnp]: Nút đảo (hkl)   phải nằm mặt đảo ví dụ mặt n Hình chiếu vector đảo rhkl lên phương trục xoay ndmnp Dưới dạng vector, hình chiếu tích vô    hướng vector rhkl với vector đơn vị theo trục xoay z Vector nối gốc O với    nút mạng thuận mnp ma  nb  pc Độ dài vector đó, tức chu kì mạng theo phương bằng: 67 T dmnp Ta có:    na  nb  nc z dmnp Suy ra: hm + kn + lp = n Như tinh thể xoay trục, lớp n, ba số không đổi: h = n, k = n l = n b) Đường H  const Đối với tinh thể ô mạng có góc vuông (lập phương, hướng, mặt thoi), trục xoay trục tinh thể; ô mạng hệ hướng, trục xoay  trục c ; ô mạng hệ nghiêng, trục xoay trục y mạng đảo chúng có hàng song song với trục xoay   Vẽ mạng đảo xoay quanh trục c (trùng với trục c ), tất nút đảo xếp thành hàng song song với trục xoay Mỗi hàng bao gồm nút đảo có số (h k) Khoảng cách nút đảo hàng tới trục xoay không đổi kí hiệu H  Khi xoay quanh trục c , hàng đảo vẽ nên hình trụ có trục trục xoay bán kính H  Hình trụ cắt mặt cầu Ewald theo đường cong khép kín có dạng số Các hàng đảo khác cắt hình cầu theo đường số khác Như nút đảo cắt mặt cầu Ewald theo đường số Vị trí tia tán xạ xác định nối tâm O với nút đảo nằm 68 đường số Chúng cắt phim tạo phim vết nhiễu xạ nằm đường cong có dạng tương tự Như vết nhiễu xạ đường số có số h k nút đảo tương ứng cách trục xoay khoảng H  Đó tính chất chung ràng buộc vết nhiễu xạ đó, chúng tạo nên loại đường cong giao thoa gọi đường cong H  const c) Đường   const Vì vết nhiễu xạ nằm đường lớp, giao tuyến đường lớp với đường   const xác định vị trí vết nhiễu xạ 2.2.2.3 Xác định số mặt phản xạ ảnh nhiễu xạ đơn tinh thể xoay Phương pháp đơn tinh thể xoay thường ứng dụng trục xoay trục tinh thể trùng với hàng quan trọng tinh thể Xét trường hợp trục xoay trục ô mạng có góc vuông, trục xoay trục C ô mạng hướng trục xoay trục y ô mạng khối nghiêng (đơn tà) Nhận thấy tất hàng đảo song song với trục xoay có hai số giống Tất mặt đảo vuông góc với trục xoay đồng dạng chứa nút đảo với hai số Để xác định số mặt phản xạ (hkl), ta cần vẽ mặt đảo vuông góc với trục xoay Biết kiểu ô mạng số mạng, dễ dàng xác định mặt đảo với đầy đủ hai chữ số Mỗi nút đảo với hai số xác định hình chiếu hàng đảo qua nút đảo có hai số số thứ ba Nối nút đảo với gốc mặt đảo, ta xác định khoảng cách hàng đảo (đi qua nút đó) với trục xoay (đi qua gốc mặt đảo), tức xác định đại lượng H  69 2  2    y     y  cos x  R  R R H     y   1     R   2.2.3 Cách xác định tham số ô mạng (a, b, c) Từ (2.4) ta suy ra: R2 T  n  yn Trong đó: (2.9) R- bán kính buồng chụp; yn- hoảng cách từ lớp đến lớp n; T- chu kì theo trục xoay, tức a, b, c y 2n n R  R  T yn (2.10) Trong (2.9) (2.10) có n yn thay đổi, T(a, b, c) xác định theo n yn khác nhau, tức lớp khác Chƣơng PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ĐA TINH THỂ 70 3.1 Tƣơng tác tia X với mặt mạng tinh thể 3.1.1 Phương trình Bragg Khi chiếu tia X vào vật rắn tinh thể xuất tia nhiễu xạ với cường độ hướng khác Các hướng bị khống chế bước sóng xạ tới chất mẫu tinh thể Định luật Bragg thể mối quan hệ bước sóng tia X khoảng cách mặt nguyên tử để xảy tượng nhiễu xạ Giả sử tia X đơn sắc, song song, với bước sóng  chiếu vào hai mặt phẳng góc  Khoảng cách hai mặt phẳng d Hai tia bị tán xạ hai nguyên tử cho hai tia phản xạ 1' , 2' góc  so với mặt phẳng Sự giao thoa tia X tán xạ 1' , 2' xảy hiệu quang lộ Hình 3.1 1A1' , 2O2' số nguyên lần bước sóng Vậy điều kiện nhiễu xạ là: n  2d sin 3.1.2 Xác lập điều kiện Bragg thông qua mạng đảo Gọi k k ' vector sóng tới sóng phản xạ, ta có: 2 2 N  k, N '  k '   Vậy ta có: 71 k'  k  G Hay: k  G Đây dạng tổng quát định luật Bragg Nó nói lên vector sóng sóng tới sóng phản xạ liên hệ với thông qua vector mạng đảo phản xạ phản xạ Bragg (hay nhiễu xạ) 3.2 Phƣơng pháp phim Debye 3.2.1 Thực nghiệm chụp ảnh Debye Đa tinh thể bao gồm vô số hạt tinh thể nhỏ, hạt định hướng hoàn toàn trật tự Nếu chiếu tia đơn sắc, bước sóng  cố định vào mẫu đa tinh thể đó, tìm thấy số hạt nằm vị trí thỏa mãn điều kiện Bragg: 2dsin   n Giả sử có hạt nằm ngẫu nhiên nằm vị trí cho mặt d hkl thỏa mãn điều kiện trên, mặt (hkl) cho tia tán xạ OP, tạo thành vết nhiễu xạ P phim Nhưng mẫu gồm có vô số hạt, hoàn toàn có xác suất hạt khác nằm vị trí cho mặt (hkl) thỏa mãn điều kiện Bragg 3.2.2 Buồng Debye Buồng Debye loại buồng chụp dùng phim cắt thành băng hẹp dài uốn thành hình trụ ngắn Buồng gồm: - Thân buồng: ống hình trụ rỗng cắt ngắn, bán kính R, có gờ mép cho đặt phim theo thành bên buồng Trên thân buồng đục hai lỗ nằm 72 Hình 3.2 đường thẳng qua tâm O Lỗ (1) cho tia sơ cấp vào, chiếu lên mẫu (3) đặt tâm O, tia đâm xuyên theo lỗ (2) Tâm O buồng Debye nằm mâm tròn xoay Toàn thân buồng đặt đế (4) có ba chân thay đổi lên xuống Sau lắp phim, cho ống chuẩn trực vào lỗ (1) cho bẫy vào lỗ (2), toàn ống đóng kín ánh sáng nắp tròn Tia đơn sắc qua chuẩn trực (1) vào mẫu (3) cho tia tán xạ OP tạo thành vành đối xứng qua tâm phim - Ống chuẩn trực: ống chuẩn trực ống trụ rỗng, khác dài nhằm tách chùm tia phát từ anod máy thành chùm tia hẹp song song, sau đưa vào mẫu - Bẫy: Sau qua chuẩn trực 1, mẫu tia đâm xuyên tiếp tục quãng đường Nếu tia đâm xuyên chiếu lên phim thành buồng phim bị đen, thành buồng phát tia phản xạ chiếu lên phim cường độ tia đâm xuyên mạnh so với cường độ tia nhiễu xạ Hơn tia đâm xuyên quãng đường từ mẫu (3) tới thành buồng bị tán xạ không khí làm cho phim bị đen Vì phải đặt lỗ (2) bẫy tia đâm xuyên Đó ống trụ rỗng (1) đường kính vài milimet Một đầu hở để hứng chùm tia (đầu trong) đầu ( ngoài) gắn huỳnh quang (2) phát sáng tia đâm xuyên chiếu vào bẫy 3.2.3 Các sai số xác định góc tán xạ hiệu đính Theo phương trình Vulff – Bragg có: d d   n 2sin  n cos   dctg. sin  d  ctg. d 73 (3.2) Biểu thức (3.2) xác định sai số tương đối việc xác định khoảng cách mặt nguyên tử Sai số nhỏ   900 Tổng sai số là:   l  R  e   Trong đó: l : sai số ngẫu nhiên đo góc R : sai số co phim e : sai số nguyên nhân lệch tâm mẫu  : sai số nguyên nhân hấp thụ 3.2.4 Phân tích hình ảnh nhiễu xạ tinh thể hệ lập phương 3.2.4.1 Dạng bình phương tinh thể lập phương  Hệ thức độ dài vector đảo r hkl khoảng cách dhkl mặt   thuận (hkl) rhkl  d hkl  2sin   sin   h  k  l2 2a d hkl  3.2.4.2 Đoán nhận loại tinh thể lập phương xác định số mặt phản xạ phương pháp giải tích Khi xác định xác góc  thực ứng với tất vạch  ảnh Debye, ta tính sin  lập tỉ số giá trị sin  Đối với ô mạng lập phương đơn giản, tất mặt tham gia phản xạ sin 1 : sin 2 : sin 3  1: : 3: : : : : :10 74 Vậy có số liệu thực nghiệm tạo nên giá trị sin  tương ứng với kết luận: + Tinh thể phân tích có ô mạng lập phương đơn giản + Có thể suy số (hkl) vạch nhiễu xạ Đối với ô mạng lập phương tâm khối, có số mặt tham gia phản xạ Tỉ số sin  bằng: sin 1 : sin 2 : sin 3 :  : : : :10 :11:14 :16 =1 : : : : : : : Vậy tỉ số sin  theo số liệu thực nghiệm thỏa mãn ta kết luận tinh thể phân tích có ô mạng lập phương tâm khối Đối với ô mạng lập phương tâm mặt, có mặt có số chẵn lẻ tham gia phản xạ Tỉ số sin  bằng: sin 1 : sin 2 : sin 3 :  3: : :11:12 :16 :19 Lập tỉ số từ số liệu thực nghiệm kết luận tinh thể phân tích lập phương tâm mặt, đồng thời xác định số mặt phản xạ Hằng số mạng a tinh thể biết trước viết: 4a sin   (h  k  l2 )  Sau xác định số (hkl) vạch nhiễu xạ, tính số mạng a theo vạch nhiễu xạ nào: a  h  k  l2 2sin  3.2.5 Phân tích ảnh nhiễu xạ tinh thể có đối xứng trung bình 3.2.5.1 Dạng bình phương 75 Độ dài trục đảo:    a  ;b  ;c  c a a Tọa độ vector đảo:  2 l   rhkl ,k ,  h  a a c Ta có: d hkl  a 4 a 2  h  k  hk    l    c   3.2.5.2 Phương pháp giải tích Dựa vào tỉ số giá trị sin  sin 1 : sin 2 : sin 3 :  1: : : : : :10 :13:16 :17 : kết luận tinh thể phân tích thuộc hệ hướng sin 1 : sin 2 : sin 3 :  1: 3: : : :12 :13:16 :19 : 21 : kết luận tinh thể phân tích tinh thể hướng Xác định số mặt phản xạ (hkl): - Đối với hệ tinh thể hướng: 2 2 2 h  k  l  A h  k  Cl2 2 4a 4c 2 2 A  ;C  4a 4c sin       Có thể xác định đại lượng: A  sin 100  sin 110 sin 200   Muốn xác định số (hkl) vạch lại, cần xác định đại lượng C Ta xác định được: 76 sin 002 sin 003 C  sin 001   Thực tế C tìm : sin    hkl  sin hk0  sin hkl  A h  k   Cl2   3.3 Phƣơng pháp ghi xung tia nhiễu xạ 3.3.1 Sơ đồ thực nghiệm ghi xung tia X Máy difractomet – máy ghi tia nhiễu xạ ống đếm Các phận difractomet gồm nguồn xạ (ống phát tia X), cấu xoay mẫu ống đếm, ống đếm hệ thống ghi thị.Trong difractomet thường dùng sơ đồ tụ tiêu Bragg- Brentano Phương pháp tụ tiêu thông thường (Zeeman- Bolin) yêu cầu khe S, bề mặt mẫu M điểm tụ tiêu P phải nằm đường tròn Tia tới SM tia phản xạ MP phương pháp không đối xứng Với phương pháp BraggBrentano, mặt phản xạ (hkl) luôn tiếp xúc với đường tròn chứa S, M P Chính mặt (hkl) tiếp tuyến với đường tròn M, nên góc MSP   , suy góc MPS   , SM=PM Vậy tia tới tia phản xạ đối xứng Muốn cho mặt khác mặt (hkl) tham gia phản xạ, cần xoay mẫu quanh tâm M cho cho mặt (hkl)’ tiếp xúc với đường tròn khác chứa S, M ( cố định) P ' (di động) Nhưng mặt (hkl)’ tiếp tuyến đường tròn nên : SM  P'M Tương tự mặt  hkl  có: SM  P''M '' 77 3.3.2 Sự giống khác phương pháp ghi xung chụp ảnh Debye Về độ xác phép phân tích: khả ghi nhận tia tán xạ yếu, độ xác việc xác định vị trí góc tán xạ  …: phương pháp dùng ống đếm difractomet cho kết tốt phương pháp dùng phim buồng chụp Về thời gian phân tích: Để thu tranh nhiễu xạ với chất lượng tương đương nhau, hai phương pháp đòi hỏi thời gian Về việc xác định cường độ tia tán xạ: Difractomet có ưu Vì phương pháp chụp đòi hỏi phép đo trung gian: đo độ đen vết nhiễu xạ phim 3.3.3 Phân tích pha tinh thể từ đỉnh nhiễu xạ đặc trưng Ta biết pha gồm loại ô mạng định, cho hệ vạch nhiễu xạ phim Nếu mẫu gồm nhiều pha, tức gồm nhiều loại ô mạng với thông số mạng khác nhau, phim tồn đồng thời nhiều hệ vạch độc lập với Phân tích vạch nhiễu xạ, xác định pha có mặt mẫu Sau thu ảnh nhiễu xạ mẫu chứa nhiều pha, ta cần phân tích số liệu thu Tiến hành xác định khoảng cách d HKL  78 d hkl mặt nguyên tử: n d HKL  d hkl   n sin  Trong đó:  góc phản xạ đo ảnh nhiễu xạ Kết ta có loạt giá trị dHKL hệ vạch, tức pha KẾT LUẬN Trong trình tìm hiểu, nghiên cứu hoàn thành khóa luận : “ Tia X ứng dụng phân tích cấu trúc vi mô”, thấy tầm quan trọng tia X nghiên cứu cấu trúc tinh thể vật rắn Với mục đích nghiên cứu chất tia X nguyên lý ứng dụng chúng, khóa luận này, trình bày vấn đề: - Trình bày lý thuyết tia X, phổ tia X đặc trưng phổ liên tục - Hai phương pháp phân tích vật liệu đơn tinh thể là: phương pháp Laue phương pháp đơn tinh thể xoay Các phương pháp cho phép xác định loại tinh thể, số mạng, định hướng tinh thể thông số quan trọng - Phương pháp phân tích cấu trúc đa tinh thể: phương pháp phim Debye, phương pháp ghi xung tia X… Các phương pháp cho phép phân tích ảnh nhiễu xạ tinh thể lập phương, ảnh nhiễu xạ tinh thể thuộc hạng đối xứng trung bình… 79 Là sinh viên Vật lí bước đầu tập dượt nghiên cứu khoa học, tìm hiểu đề tài khoa học chủ yếu thông qua phương pháp đọc nghiên cứu tài liệu Quá trình nghiên cứu tài liệu rèn luyện cho phương pháp tư duy, biết cách tổng hợp phân tích liệu thu thập Tuy nhiên, kiến thức hạn chế thời gian nghiên cứu hạn hẹp, khóa luận không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp quý báu thầy cô bạn Tôi xin chân thành cảm ơn! TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hoàng Nghị, Lý thuyết nhiễu xạ tia X (2002), Nhà xuất Giáo dục [2] Nguyễn Hoàng Nghị, Các phương pháp thực nghiệm phân tích cấu trúc, (2003), Nhà xuất Giáo dục 80 81 [...]... đối x ng tồn tại cả mặt đối x ng, thì mỗi vết nhiễu x sẽ có một vết đối x ng qua mặt đó nữa Nếu phương tia sơ cấp không trùng với trục đối x ng nào, ảnh Laue hoàn toàn không đối x ng và có thể quan niệm trục đối x ng bậc 1 Ảnh nhiễu x Laue có thể bao gồm 10 kiểu phù hợp với các trục đối x ng bậc 1, 2, 3, 4, 6 và các mặt đối x ng 2.1.3 Ý nghĩa và vai trò của ảnh Laue trong phân tích cấu trúc đơn tinh. .. Tƣơng tác của tia X với mặt mạng tinh thể 3.1.1 Phương trình Bragg Khi chiếu tia X vào vật rắn tinh thể thì xuất hiện các tia nhiễu x với cường độ và hướng khác nhau Các hướng này bị khống chế bởi bước sóng của bức x tới và bởi bản chất của mẫu tinh thể Định luật Bragg thể hiện mối quan hệ giữa bước sóng tia X và khoảng cách giữa các mặt nguyên tử để x y ra hiện tượng nhiễu x Giả sử tia X 1 và 2 đơn... việc xoay tinh thể theo trục nào đó, tức là cho  biến thiên 2.2.1 Buồng chụp tinh thể xoay 22 Tinh thể (1) gắn với trục xoay và chuyển động nhờ mô tơ (2) Tia sơ cấp  s0 đi qua ống chuẩn trực (3) tách thành tia mảnh và gần song song chiếu vào tinh thể (1) Tia đâm xuyên qua tinh thể được hứng vào bẫy (4), trên bẫy (4) có đặt chất phát quang do đó có thể quan sát bằng mắt tia đâm xuyên, nhờ đó có thể. .. hàng tinh thể ( trục xoay) và tia sơ cấp s0 Từ đó có thể x c định yn, cũng như x c định chu kì T nếu đo y n ,  0 25 Ảnh nhiễu x đơn tinh thể xoay có tính đối x ng quanh các trục y và x vuông góc với nhau và đi qua gốc tọa độ là vết của tia đâm xuyên trên phim, trong đó trục y song song với trục xoay 2.2.2.2 Các đường giao thoa trên ảnh nhiễu x Các đường thẳng hoặc cong nối qua các vết nhiễu x mà... tinh thể nào song song với tia sơ cấp Ảnh Laue phản ánh tính đối x ng theo phương tia sơ cấp Nếu tia sơ cấp trùng với một trục tinh thể, ảnh Laue sẽ phản ánh bậc đối x ng của trục đó 2.2 Phƣơng pháp tinh thể xoay Nếu chiếu tia đơn sắc   const lên một đơn tinh thể nằm cố định khó có thể có tia tán x vì khó có thể thỏa mãn điều kiện Vulff- Bragg: 2dsin   n , vì d, ,  cố định Muốn có tia tán x ,... chỉnh vị trí tia sơ cấp và vị trí tinh thể Phim nhựa (5) uốn thành hình trụ và áp sát vào thành trục (6) của buồng chụp Khi lắp và tháo phim thì mở nắp (7) Tinh thể (1) được gắn lên trục xoay Hình 2.8 thông qua một đầu chia độ cho phép đặt tinh thể vào một vị trí không gian bất kì mà ta mong muốn 2.2.2 Ứng dụng của mạng đảo trong phương pháp tinh thể xoay 2.2.2.1 Đặc điểm hình học của ảnh nhiễu x , các... cứ vào đặc điểm phân bố các đường vùng có thể phán đoán về sự định hướng và tính đối x ng của tinh thể Giả sử tâm của ảnh Laue tồn tại trong một vùng trống, có thể đoán rằng một trục Hình 2.7 tinh thể (hoặc một hàng quan trọng) song song với tia sơ cấp Như vậy ta đã x c định được sự định hướng của tinh thể Hằng số mạng theo trục đó là:  min 2sin 2  Việc x c định được hằng số mạng cho phép ta x c... năng lượng nào đó, làm xuất hiện trong lớp cảm quang một ảnh ẩn Các photon làm cho cho các nguyên tử của tinh thể AgBr bị kích thích Một số điện tử của tinh thể ở vùng hóa trị nhảy sang vùng dẫn, trở thành các điện tử tự do và có thể di động trong tinh thể Trong tinh thể luôn luôn tồn tại các loại khuyết tật và chúng trở thành tâm hút của các điện tử tự do di động trong tinh thể Như vậy các khuyết... 2 điện cực và tạo thành dòng điện ion hóa dưới dạng các xung điện có thể đo được Cường độ và năng lượng bức x tia Rơnghen có thể đánh giá theo các xung điện đó 13 Chƣơng 2 PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ĐƠN TINH THỂ 2.1 Thí nghiệm Laue 2.1.1 Sơ đồ thí nghiệm Laue Trong quá trình chụp tinh thể ở vị trí cố định, muốn có tia phản x , phải cho bước sóng thay đổi liên tục Do đó người ta dùng phổ liên tục trong trường... khi trục xoay là một trong 3 trục tinh thể hoặc trùng với một trong những hàng quan trọng của tinh thể X t trường hợp trục xoay là một trong 3 trục của ô mạng chỉ có góc vuông, trục xoay là trục C của ô mạng 6 hướng và trục xoay là trục y của ô mạng khối một nghiêng (đơn tà) Nhận thấy tất cả các hàng đảo song song với trục xoay đều có hai chỉ số giống nhau Tất cả các mặt đảo vuông góc với trục xoay đều ... tích cấu trúc tinh thể vật rắn làm khóa luận tốt nghiệp Mục đích chọn đề tài - Tìm hiểu tính chất đặc trưng tia X, nguồn phát x tia X - Ứng dụng nhiễu x tia X phân tích cấu trúc tinh thể vật. .. lượng, V: thể tích ô mạng 32 Chƣơng PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ĐA TINH THỂ 3.1 Tƣơng tác tia X với mặt mạng tinh thể 3.1.1 Phương trình Bragg Khi chiếu tia X vào vật rắn tinh thể xuất tia nhiễu x với cường... trúc tinh thể vật rắn Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu chất tia X phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể Đối tƣợng nghiên cứu - Tia X ứng dụng phân tích cấu trúc tinh thể vật rắn Phƣơng pháp nghiên