Chương II. Phương pháp và thiết bị nghiên cứu
2.3 Phân tích đọc kết quả liều kế bằng phương pháp quang phổ kế hấp thụ 40 .1 Phương pháp quang phổ kế hấp thụ
Kỹ thuật đo liều bức xạ sử dụng các phương pháp phân tích hóa, lý để đọc kết quả từ các liều kế như phương pháp chuẩn độ hóa học, phương pháp phổ hấp thụ quang, phương pháp tinh thể nhiệt huỳnh quang, phương pháp phổ cộng hưởng spin-điện tử, phương pháp chuẩn độ dao động trong phân tích đọc liều ECB…Trong khuôn khổ luận án tập trung nghiên cứu hệ liều kế hóa học dạng rắn nên phương pháp phân tích quang phổ kế hấp thụ được sử dụng.
2.3.1 Phương pháp quang phổ hấp thụ
Khi chiếu ánh sáng vào một chất nó sẽ xảy ra hiện tượng các phân tử vật chất hấp thụ năng lượng hay bức xạ năng lượng và được xác định bằng công thức:
1 0
E E E h hc
= − = = (2.18) Trong đó E0 và E1 là mức năng lượng của phân tử ở trạng thái đầu và trạng thái cuối, là tần số của bức xạ điện từ bị hấp thụ hay phát xạ ra, h là hằng số planck và h = 6,6262x10-34 J.s, là bước sóng. Khi:
E = 0: năng lượng phân tử không thay đổi khi tương tác với bức xạ điện từ.
E > 0: phân tử hấp thụ năng lượng; E < 0: phân tử bức xạ năng lượng.
Theo thuyết lượng tử thì các phân tử và bức xạ điện từ trao đổi năng lượng với nhau không phải bất kỳ và liên tục mà có tính chất gián đoạn. Phân tử chỉ hấp thụ hoặc bức xạ 0, 1, 2, 3…n lần lượng tử h.. Khi phân tử hấp thụ hoặc bức xạ sẽ làm thay đổi cường độ của bức xạ điện từ nhưng không làm thay đổi năng lượng của bức xạ điện từ, bởi vì cường độ bức xạ điện từ xác định bằng mật độ các hạt photon có trong chùm tia còn năng lượng của bức xạ điện từ lại phụ thuộc vào tần số của bức xạ. Vì vậy, khi chiếu một chùm bức xạ điện từ với một tần số duy nhất
41
đi qua môi trường vật chất thì sau khi đi qua, năng lượng của bức xạ không hề thay đổi mà chỉ có cường độ của bức xạ thay đổi.
Khi các phân tử hấp thụ năng lượng từ bên ngoài có thể dẫn đến các quá trình thay đổi trong phân tử (quay, dao động, kích thích electron phân tử…) hoặc trong nguyên tử (cộng hưởng spin electron, cộng hưởng từ hạt nhân).
Hình 2.8: Các trạng thái kích thích phân tử.
Mỗi một quá trình như vậy đều đòi hỏi một năng lượng E > 0 nhất định đặc trưng cho nó, nghĩa là đòi hỏi bức xạ điện từ có một tần số riêng gọi là tần số quay
q, tần số dao động d và tần số kích thích điện từ đ. Vì thế khi chiếu một chùm bức xạ điện từ với các tần số khác nhau vào thì các phân tử chỉ hấp thụ được các bức xạ điện từ có tần số đúng bằng các tần số trên (q, d và đ) để xảy ra các quá trình biến đổi trong phân tử như trên. Do sự hấp thụ chọn lọc này mà khi chiếu chùm bức xạ điện từ với một dải tần số khác nhau đi qua môi trường vật chất thì sau khi đi qua, chùm bức xạ này sẽ bị mất đi một số bức xạ có tần số xác định nghĩa là các tia này đã bị phân tử hấp thụ [9].
2.3.2 Định luật Lambert-Beer
Khi chiếu một chùm tia sáng đơn sắc đi qua một môi trường vật chất có bề dày dx thì cường độ của tia sáng ban đầu I0 sẽ bị giảm đi chỉ còn là I như minh họa trên Hình 2.14. Như vậy, lúc này chùm tia sáng đã bị giảm đi một lượng dI, chùm sáng còn lại là I = I0-dI. Giá trị dI
I tỷ lệ với chiều dày lớp vật chất, nồng độ chất hấp thụ trong dung dịch, đo bằng mol/l C của chất hấp thụ và bản chất của chất hấp thụ,theo công thức:
dI '. .
I = − C dx (2.19)
trong đó 'là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào chất hấp thụ.
42
Tích phân hai vế công thức (2.19) với các điều kiện biên I x( =0)=I0 và
( )
I x=d =I rồi chuyển sang logarit thập phân ta thu được biểu thức biểu diễn định luật Lambert-Beer như sau:
logI0 . .
I =C d (2.20)
trong đó =2, 3. ' được gọi là hệ số tắt phân tử, có thứ nguyên là mol-1.cm-1.
Hình 2.9: Mô hình minh họa định luật Lambert-Beer
Với hai tia sáng có cùng năng lượng nhưng có cường độ ánh sáng khác nhau thì độ truyền qua T được xác định:
0
.100%
T I
= I (2.21)
Đại lượng A logI0
= I được gọi là mật độ quang hay độ hấp thụ quang của chất.
Như vậy định luật Lambert-Beer có thể viết lại dưới dạng như sau:
A log1 . .C d T
= = (2.22)
Từ công thức 2.22 cho thấy, khi chiều dày lớp chất không đổi thì độ hấp thụ quang A chỉ phụ thuộc vào nồng độ của chất trong dung dịch và sự phụ thuộc giữa độ hấp thụ quang A với nồng độ C là một hàm tuyến tính. Định luật Lambert-Beer chỉ đúng với tia đơn sắc.
2.3.3 Cấu tạo thiết bị
Hệ thiết bị đo gồm có các phần sau:
+ Nguồn sáng: Nguồn sáng có nhiệm vụ cung cấp bức xạ tương thích với quá trình đo. Nguồn sáng liên tục gồm có các loại đèn hydro, đèn thủy ngân (180÷320 nm) và đèn dây tóc (320÷1000 nm).
43
+ Bộ phận đơn sắc: là lăng kính hay cách tử. Lăng kính (prism) có thể được làm từ thủy tinh hay thạch anh. Những bức xạ khác nhau sẽ bị bẻ gẫy những góc khác nhau khi chúng đi ra khỏi lăng kính. Tùy thuộc vào vật liệu làm lăng kính mà nó có thể tách những bức xạ trong vùng nào. Cách tử (gratings) được cấu tạo với vô số những khe rất nhỏ trên một diện tích bề mặt với khoảng 2000÷3600 khe/mm. Tùy thuộc vào góc tới của chùm tia sáng và bề mặt cách tử mà hướng truyền của chùm bức xạ khi phản xạ trên bề mặt cách tử theo những hướng khác nhau. Cách tử gồm hai loại là cách tử truyền suốt (làm bằng thủy tinh) và cách tử phản xạ (bằng nhôm).
+ Bộ phận chứa mẫu (cuvettes): là khoang chứa mẫu, nằm ở vùng tối, nơi vị trí cuối cùng của đường truyền. Tia bức xạ đơn sắc sau khi được tách ra sẽ đi đến đó. Bộ phận chứa mẫu thường có bề rộng khoảng 1cmx1cm, chiều cao 5cm, được làm bằng nhựa, thủy tinh quang học (vùng VIS-IR gần) hay thạch anh (vùng UV).
+ Detector: có tác dụng cảm nhận bức xạ điện từ sau khi bị hấp thụ và chuyển lượng bức xạ này thành dòng điện. Cường độ dòng điện thu được tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ đập vào bề mặt catot. Tế bào quang điện làm xảy ra hiện tượng quang điện, tùy thuộc vào kim loại khác nhau. Detector phổ biến dùng tế bào nhân quang, có độ nhạy và độ bền cao. Một số máy hiện nay dùng detector là dàn diot gồm 1024 diot cho cả vùng tử ngoại và khả kiến.
+ Bộ phận ghi phổ: Thông thường người ta kết nối với máy tính có ứng dụng chương trình đo quang phổ để ghi lại phổ từ tín hiệu phát ra từ detector ở máy quang phổ.
Hình 2.10: Hệ phổ kế UV-VIS 2450 tại Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội.
44 Kết luận Chương II
Những nội dung chính đã trình bày trong Chương II là nêu phương pháp nghiên cứu của quá trình biến đổi của phim PVA được nhuộm màu sau khi bị chiếu xạ gồm:
+ Sự tương tác của bức xạ với vật liệu polymer. Quá trình tương tác với bức xạ đã gây ra hiện tượng thay đổi cấu trúc của polymer, dẫn tới những biến đổi hóa-lý trong vật liệu này.
+ Sự biến đổi của polymer khi tương tác với bức xạ thông qua quá trình truyền bức xạ cho vật chất dựa trên lý thuyết hệ số truyền năng lượng tuyến tính và mô hình truyền năng lượng.
+ Mô tả các nguồn chiếu gamma và nơtron được sử dụng để chiếu mẫu
+ Phương pháp chế tạo các loại phim màng mỏng với các chất nhuộm màu khác nhau, có hay không có chất phụ gia.
+ Kỹ thuật phân tích mật độ quang của phim trước và sau khi được chiếu xạ.
45
CHƯƠNG III