nhiễu xạ tia x và các phương pháp phân tích

Phương pháp chụp phim – Debye – Scherrer PHƯƠNG PHÁP BỘT CƯỜNG ĐỘ TIA X NHIỄU XẠ Định luật Bragg chỉ là hệ quả của tính tuần hoàn tịnh tiến của mạng tinh thể,nên không phụ thuộc vào nền tinh thể. Số nguyên tử của nền tinh thể chỉ quyết định cường độ tương đối của chùm tia nhiễu xạ ở các bậc n khác nhau.

TIA X  Tia X tia γ  Giống nhau: Đều xạ điện từ có bước sóng ngắn, lượng lớn  Khác nhau: Tia X có bước sóng nằm bước sóng tia tử ngoại tia γ ; Tia X thường tạo trình tương tác chùm tia electron với electron nguyên tử, tia γ sinh thay đổi bên hạt nhân ngun tử Wilhelm Conrad Rưntgen Wilhelm Conrad Rưntgen tìm tia X vào năm 1895 Năm 1901 ông trao giải Nobel Vật lý Năm 1995 công ti German Federal Mail phát hành tem tưởng nhớ đến công lao W C Röntgen NHIỄU XẠ TIA X  Như biết: hạt vi mô chất lưỡng tính sóng – hạt  Tính hạt: biểu diễn tính chất gián đoạn vật chất Khi hạt chuyển động mang theo lượng khối lượng  Tính sóng: biểu diễn tính chất liên tục vật chất Khi hạt chuyển động mang theo lượng mà không mang khối lượng  Trong chương xét tượng tinh thể làm nhiễu xạ xạ tia X Tuy nhiên kết thu dùng chung cho nhiễu xạ electron, nơtron, … NHIỄU XẠ TIA X Phản xạ; tán xạ; giao thoa?  Phản xạ: Tia tới bị phản xạ mặt phẳng; góc tới góc phản xạ; lượng bước sóng không thay đổi  Tán xạ:Tia tới va chạm với điểm vật chất đó; điểm vật chất trở thành nguồn xạ thứ cấp phát xạ (tia tán xạ) hướng khác Tia tán tia tới có lượng (tán xạ đàn hồi) khác (tán xạ không đàn hồi)  Giao thoa: Là tượng cộng hợp sóng Có giao thoa tăng cường (các sóng tới pha) giao thoa triệt tiêu (các sóng tới ngược pha) NHIỄU XẠ TIA X Nhiễu xạ?  Có hai cách hiểu:  Tập hợp phản xạ đặc biệt từ họ mặt phẳng nguyên tử song song tinh thể đảm bảo điều kiện giao thoa tăng cường  Tập hợp tán xạ đàn hồi đặc biệt từ điểm khác tinh thể đảm bảo điều kiện giao thoa tăng cường  Kết quả: Thu chùm tia nhiễu xạ theo hướng xác định, đặc trưng cho tinh thể Các tia nhiễu xạ ghi lại dạng ảnh nhiễu phim vẽ thành giản đồ nhiễu xạ NHIỄU XẠ TIA X  Hiện tượng nhiễu xạ tia X quan sát Max Von Laue (1879 –1960, giải thưởng Nobel Vật lý năm 1914) vào năm 1912 W.L and W.H Bragg  Hiện tượng nhiễu xạ tia X giải thích hai cha gia đình Bragg năm 1913 (Wiliam Henry Bragg (cha), 1862-1942, Wiliam Lawrence Bragg (con), 18901971, hai nhà vật lý người Anh, giải thưởng Nobel vật lý năm 1915) n⋅λ d= ⋅ sin θ NHIỄU XẠ TIA X  Điều kiện nhiễu xạ tia X – Định luật Bragg  Các tia X không thực bị phản xạ mà chúng bị tán xạ, song thuận tiện xem chúng bị phản xạ  Mỗi mặt phẳng nguyên tử phản xạ sóng tới độc lập với coi “mặt phản xạ”  Tia nhiễu xạ coi “tia phản xạ”  Điều kiện nhiễu xạ: nλ = 2dsinθ (Các bạn chứng minh???) λ bước sóng tia X tới; d khoảng cách mặt phẳng họ mặt phẳng song song; θ góc phản xạ; n bậc phản xạ NHIỄU XẠ TIA X nλ = 2dsinθ  Chỉ họ mặt phẳng song song thỏa mãn định luật Bragg cho chùm tia nhiễu xạ quan sát  Muốn thỏa mãn đl Bragg phải có λ ≤ 2d, mà tinh thể d cỡ Å nên thấy tượng nhiễu xạ tia X (khơng thấy tượng nhiễu xạ ánh sáng nhìn thấy tia γ (?))  Một mặt phẳng phản xạ phần nhỏ chùm tia X tới, khơng mặt phẳng phản xạ hết, khơng cịn để mặt phẳng sau phản xạ khơng có tượng giao thoa NHIỄU XẠ TIA X nλ = 2dsinθ  Họ mặt phẳng phản xạ họ mặt phẳng tinh thể, tinh thể có nhiều họ mặt phẳng phản xạ khác (chú ý không nhầm lẫn mặt phẳng phản xạ với mặt tinh thể)  Bản chất tia tới khác (tia X, nơtron, electron, ) Các tia không thiết rơi từ ngồi vào tinh thể mà nằm tinh thể NHIỄU XẠ TIA X nλ = 2dsinθ  Định luật Bragg hệ tính tuần hồn tịnh tiến mạng tinh thể,nên không phụ thuộc vào tinh thể Số nguyên tử tinh thể định cường độ tương đối chùm tia nhiễu xạ bậc n khác Trong hầu hết trường hợp, bậc phản xạ thứ (n = 1) sử dụng, định luật Bragg viết: λ = 2dsinθ Khi n > 1, phản xạ gọi phản xạ bậc cao CƯỜNG ĐỘ TIA X NHIỄU XẠ  Tất tia nhiễu xạ quan sát tuân theo điều kiện Bragg có phản xạ tuân theo điều kiện Bragg lại quan sát (tức có cường độ 0)  Để giải thích điều này, ta coi tia nhiễu xạ tập hợp tia tán xạ gây điểm tia phản xạ gây mặt  Ta cần phải xét lần lượt: - Sự tán xạ electron nguyên tử - Sự tán xạ nguyên tử độc lập - Sự tán xạ nguyên tử ô đơn vị CƯỜNG ĐỘ TIA X NHIỄU XẠ  Tán xạ electron Io e 2θ I  J.J Thomson chứng minh rằng: cường độ tia X tán xạ electron khoảng cách r kể từ electron có điện tích e khối lượng M cho công thức: e4 I = I o 2 sin 2θ r Mc Io – cường độ tia x tới c – tốc độ ánh sáng chân không 2θ - hướng tán xạ CƯỜNG ĐỘ TIA X NHIỄU XẠ  Tán xạ nguyên tử  Cường độ tia X tán xạ hạt nhân nhỏ, bỏ qua (?)  Sóng tán xạ tồn phần nguyên tử tổng sóng tán xạ electron nguyên tử Do sóng thành phần có pha khác nên cường độ tán xạ tổng cộng không đơn giản bội số cường độ sóng thành phần mà phụ thuộc vào hướng tán xạ  Tỉ số f theo công thức gọi thừa số tán xạ nguyên tử: biên độ sóng tán xạ nguyên tử f = biên độ sóng tán xạ electron CƯỜNG ĐỘ TIA X NHIỄU XẠ  Tán xạ nguyên tử 30  Giá trị f phụ thuộc θ λ Khi θ = f = Z (tổng số electron) f giảm θ tăng λ giảm  Đồ thị f hàm (sinθ)/λ, Đối với Cu, f giảm từ 29 (sinθ)/λ tăng fCu 20 fAl 10 fO sinθ nm-1 λ 10 PHƯƠNG PHÁP BỘT  Nguyên tắc phương pháp  Sử dụng tia X đơn sắc  Mẫu dạng bột, kích thước hạt 0,01-0,001mm  Vì bột gồm vơ số vi tinh thể định hướng hỗn loạn mẫu ln có mặt (hkl) (với d(hkl) tương ứng) nằm vị trí thích hợp, tạo với chùm tia tới góc θ thỏa mãn điều kiện Bragg  Các tia nhiễu xạ họ mặt phẳng (hkl) tạo thành mặt nón với đỉnh mẫu, trục tia tới  Góc tia tới tia nhiễu xạ 2θ PHƯƠNG PHÁP BỘT  Phương pháp chụp phim Debye – Scherrer  Thiết bị: Phim lót sát vào thành hộp kim loại hình trụ - gọi camera Camera có bán kính xác định  Mẫu đặt giá đỡ nằm trục trung tâm camera  Kết quả: phim có cung trịn đối xứng qua vết trung tâm  Yêu cầu phương pháp vạch nhiễu xạ phải mảnh, có độ đen đều, phim phải sáng để đọc vạch yếu PHƯƠNG PHÁP BỘT  Phương pháp chụp phim – Debye – Scherrer  Phim rửa, cắt trải phẳng  Đo khoảng cách tương đối vạch, tính góc phản xạ, từ xác định đặc trưng tinh thể nghiên cứu PHƯƠNG PHÁP BỘT  Phương pháp chụp phim – Debye – Scherrer  Đôi người ta đặt phim phẳng phía trước sau mẫu để hứng chùm tia nhiễu xạ  Trên phim vết trịn đồng tâm Cách có hiệu nhiễu xạ có góc θ nhỏ gần 180o PHƯƠNG PHÁP BỘT  Những ứng dụng phân tích phương pháp bột nhiễu xạ tia X • Xác định vật liệu chưa biết • Kiểm tra đơn pha (độ tinh khiết) • Xác định kích thước tinh thể • Nghiên cứu tính chất nhiệt biết đổi vật liệu • Phân tích định lượng • Xác định cấu trúc tinh thể Diffraction Angles 2d sin θ = λ h2 + k + l = d2 a2 cubic: Lập phương λ d= sin θ ⇒  h + hk + k = d  a2  sin θ = λ   h   ) orthorhombic Trực giao hexagonal Lục phương ( λ2 sin θ = h + k + l 4a 2 h2 k l = + + d a2 b2 c2  l +  c2  sin θ = + hk + k  l  +  4c  3a   rhombohedral Hình thoi ( ) ( h + k + l sin α + 2( hk + kl + hl ) cos α − cos α = d2 a − cos α + cos α ( ( ) ) ( ) λ2 h + k + l sin α + 2( hk + kl + hl ) cos α − cos α sin θ = a − cos α + cos α ( ) ) λ2  h k l  + +  a b c  ... Trong chương x? ?t tượng tinh thể làm nhiễu x? ?? x? ?? tia X Tuy nhiên kết thu dùng chung cho nhiễu x? ?? electron, nơtron, … NHIỄU X? ?? TIA X Phản x? ??; tán x? ??; giao thoa?  Phản x? ??: Tia tới bị phản x? ?? mặt phẳng;... chùm tia nhiễu x? ?? theo hướng x? ?c định, đặc trưng cho tinh thể Các tia nhiễu x? ?? ghi lại dạng ảnh nhiễu phim vẽ thành giản đồ nhiễu x? ?? NHIỄU X? ?? TIA X  Hiện tượng nhiễu x? ?? tia X quan sát Max Von... sin θ NHIỄU X? ?? TIA X  Điều kiện nhiễu x? ?? tia X – Định luật Bragg  Các tia X không thực bị phản x? ?? mà chúng bị tán x? ??, song thuận tiện xem chúng bị phản x? ??  Mỗi mặt phẳng nguyên tử phản x? ?? sóng