Năm 1895, trong lúc nghiên cứu tính chất tia cathode, Wihelm Röentgen (1845 – 1923) đã tình cờ phát hiện một bức xạ có khả năng đâm xuyên mạnh trong ống phóng điện tử. Vào lúc đó, bản chất của bức xạ này vẫn chưa được biết đến nên ông gọi nó là tia X [29].
Mãi đến năm 1912, nhà vật lý Max Laue (1879 – 1960) cho rằng tia X phải là bức xạ điện từ. Muốn thế thì tia X phải nhiễu xạ được, tuy nhiên khi cho tia X đi qua cách tử thì đường đi của chúng không hề bị lệch. Để giải quyết vấn đề này, Laue đã nảy ra ý tưởng cho chùm tia X nhiễu xạ trên tinh thểđược thể hiện trên Hình 2.24. Tinh thể là một cách tử ba chiều với khoảng cách giữa các nguyên tử cách đều nhau. Và đúng như ông suy nghĩ tia X nhiễu xạ được trên tinh thể, do đó người ta đã đi đến kết luận tia X là bức xạ điện từ.Thành công này đã mang lại giải thưởng Nobel vật lý năm 1914 cho ông, song ông vẫn chưa giải thích được bản chất của hiện tượng này [6, 29].Vào năm 1913, hai cha con William Henry Bragg (1862 – 1942) và William Lawrence Bragg (1890 – 1971) đã đưa ra định luật Bragg44giải thích kết quả thí nghiệm của Laue cũng như để thăm dò cấu trúc của các tinh thể [29].
43 Quantum Electrodynamics – viết tắt là QED.
64
Hình 2.24Mô hình nhiễu xạ tia X trên tinh thể45.
Quang phổ tia X gồm có hai phần là quang phổ liên tục và quang phổ vạch. Quang phổ liên tục được hình thành từ các bức xạ phát ra khi một electron có động năng đi qua gần hạt nhân, nó sẽ tương tác với hạt nhân theo tương tác Coulomb. Sau tán xạ, electron có động năng nhỏ hơn động năng ban đầu và phát ra photon, tạo nên phổ liên tục của tia X. Phổ liên tục có hai đặc điểm là cường độ của tia X giảm tiệm cận đối với miền bước sóng dài và có một bước sóng nhỏ nhất ở miền bước sóng ngắn. Phát xạ tia X từ việc hãm electron được gọi là quá trình Bremstrahlung[29]. Từ thực nghiệm, vào năm 1915, William Duane (1872 – 1935) and Franklin Hunt(chưa rõ năm sinh – năm mất) nhận thấy bước sóng nhỏ nhất trong phổ liên tục của tia X là
min
hc eV
λ = . (2.5)
Sau đó tám năm, Hans Kramers (1894 – 1952) đã rút ra được quy luật phân bố cường độ đơn sắc của phổ liên tục của tia X [18]
( ) 2 min 1 ~ 1 I λ λ λ λ − . (2.6) 45© Copyright http://www.tutorvista.com.
65
Quang phổ vạch của tia X, còn được gọi là quang phổ đặc trưng của tia X, được đo lần đầu tiên bởi Charles Barkla (1877 – 1944) vào năm 1909 bằng phương pháp tán xạ tia X. Ông nhận ra rằng trong phổ tia X có thể có những vạch đặc trưng cho nguyên tử làm nên đối âm cực. Sau đó, Henry Moseley (1887 – 1915)hệ thống lại các vạch phổ vào năm 1913 với mục đích kiểm tra lại lý thuyết của Bohr mới ra đời vào thời điểm đó bằng phương pháp nhiễu xạ. Moseley đã bố trí thí nghiệm như Hình 2.25. Nguồn sáng là một ống tia X có một bóng đèn được nối với miếng thủy tinh hình chữ T đến một cái ống dài có tấm chắn R và bộ phận quay C. Cửa sổ được mạ bạc W phân chia ống với quang phổ kế và S là một khe cố định. Quang phổ kế là một hộp sắt được đậy bởi một cái nắp. Tấm A mang tấm kính ảnh, có một tấm giấy lụa đen được đặt trước nó và một tấm tinh thể B. Một cái thước được cố định trên hộp và du xích được cố định trên tấm để đo phổ[26].
Hình 2.25Mô hình thí nghiệm đo quang phổ vạch của tia X46.
Từ thực nghiệm, Moseley xác định được phổ đặc trưng của tia X và đưa ra được hệ thức Moseley [26] ( )2 K Z λ σ = − . (2.7) 46[26].
66
Đồ thị biểu diễn phổ liên tục và phổ vạch của tia X được thể hiện như Hình 2.26.
Hình 2.26Biểu đồ quang phổ liên tục và quang phổ vạch của tia X.
Những nghiên cứu về tia X góp phần không nhỏ giúp các nhà vật lý gián tiếp xác định được cấu trúc của nguyên tử.