Tia X (hay tia Ronghen) có bản chất là sóng điện từ, đƣợc phát ra từ một đối âm cực (thƣờng đƣợc làm bằng kim loại) khi đối âm cực bị bắn phá bởi các electron có vận tốc lớn. Việc tạo ra tia X đƣợc thực hiện trong một ống có độ chân khơng 10-5 mmHg. Trong ống, các electron do một sợi dây vonfram đƣợc đốt nóng phát ra, dây đƣợc kích thích tới điện thế âm cao cỡ 10 đến 100 kV. Tia X ra ngoài ống qua những của sổ bằng lớp mỏng chất dẻo hoặc kim khí nhẹ.
Khi chiếu tia X vào tinh thể, tia X sẽ va chạm với tinh thể gây nên nhiễu xạ tia X bởi tinh thể. Hiện tƣợng này đƣợc M.V.Laue phát hiện vào năm 1912. Hình ảnh nhiễu xạ tia X quan sát đƣợc phụ thuộc nhiều vào cấu trúc tinh thể và bƣớc sóng tia X chiếu tới. Vì vậy nhiễu xạ tia X đƣợc dùng trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể. Nguyên tắc nhiễu xạ tia X đƣợc mơ tả nhƣ Hình 2.4.
Khi chiếu tia X có bƣớc sóng xác định tới hai mặt mạng song song có cùng chỉ số (hkl), sóng tới X bị phản xạ trên các mặt này. Trên mỗi mặt mạng, sóng phản xạ có cƣờng độ rất yếu nhƣng nếu các sóng phản xạ này giao thoa nhau thì
cƣờng độ của chùm tia X nhiễu xạ tăng lên mạnh. Hai sóng phản xạ có hiệu quang lộ đƣợc xác định theo biểu thức 2.1:
2 sin
L d
(2.1)
Trong biểu thức (2.1): d là khoảng cách giữa hai mặt mạng song song có cùng chỉ số (hkl), là góc giữa tia tới và mặt mạng và Llà hiệu quang lộ giữa hai sóng phản xạ.
Cƣờng độ của chùm tia X nhiễu xạ đạt cực đại khi hiệu quang lộ giữa hai sóng bằng một số nguyên lần bƣớc sóng, nghĩa là
2 sin
L d n
( n = 1, 2, 3….) (2.2)
Biểu thức (2.2) là sự phụ thuộc của khoảng cách giữa các mặt mạng có cùng chỉ số (hkl) với góc và bƣớc sóng tia của tia X để thu đƣơc hình ảnh nhiễu xạ tia X. Biểu thức này chính là điều kiện Bragg về nhiễu xạ tia X. Từ điều kiện nhiễu xạ này, nhận thấy:
- Khi sin 1ta chỉ thu đƣợc cực đại nhiễu xạ khi bƣớc sóng chùm tia X chiếu tới thỏa mãn 2d
- Với các giá trị và d xác định ta chỉ quan sát đƣợc cực đại nhiễu xạ ở các góc thỏa mãn điều kiện Bragg
- Trong một tinh thể thƣờng có nhiều mặt phẳng (hkl) nên d nhận các giá trị khác nhau, do vậy ta có thể quan sát đƣợc cực đại nhiễu xạ ở nhiều hƣớng khác nhau theo các góc khác nhau.
Hệ đo nhiễu xạ tia X có sơ đồ nhƣ Hình 2.5.
Ngun tắc hoạt động của hệ đo: bằng cách thay đổi vị trí của đầu dị (detector) quay trên vòng tròn giác kế, cƣờng độ nhiễu xạ theo các góc nhiễu xạ 2θ đƣợc ghi nhận, ta thu đƣợc giản đồ nhiễu xạ tia X về sự phụ thuộc của cƣờng độ tia X theo các d(hkl) của mẫu nghiên cứu.
Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, bằng việc tìm kiếm sự giống nhau về giá trị d, lẫn cƣờng độ I của chất nghiên cứu với một chất chuẩn ta xác định đƣợc cấu trúc của mẫu nghiên cứu. Từ cấu trúc của mẫu, ta suy ra công thức liên hệ giữa d là khoảng cách các mặt mạng tinh thể có cùng chỉ số (hkl) với các chỉ số Miller (h, k, l) và các thông số mạng a, b, c. Với giá trị các d đƣợc xác định từ phổ nhiễu xạ tia X, bộ chỉ số Miller (h, k, l) của mẫu thì có cùng giá trị với bộ chỉ số Miller (h, k, l) của phổ chuẩn do sự đông nhất về cấu trúc của mẫu với phổ chuẩn. Thay giá trị d, và giá trị bộ chỉ số Miller (h, k, l) vào công thức liên hệ ta tìm đƣợc các giá trị a, b, c. Từ đó ta xác định đƣợc thơng số mạng và thể tích ơ cơ sở của mẫu.