Năm 18λη, W.C.Roentgen đƣ tình c phát hi n th y từ ng phát tia ơm c c có phát ra m t b c x đi n từ, b n ch t c a các tia nƠy v n lƠ đi u bí ẩn cho mƣi t i m t s năm sau khi phát hi n ra chúng, chính vì th chúng m i đ c g i lƠ tia X. Vi c khám phá ra tia X lƠ s kh i đ u c a m t s thay đ i mang tính cách m ng trong nh n th c c a chúng ta v th gi i v t ch t. H i V t lí Y khoa Würzburg lƠ n i đ u tiên nghe báo cáo v các tia m i có kh năng đơm xuyên qua c th vƠ ch p nh x ng ng i. Roentgen, ông chính th c công b k t qu vƠo ngƠy 28 tháng 12 năm 18λη. Khám phá ra tia X lƠ thƠnh t u đ u tiên trong ba khám phá lƠm th c t nh c c ng đ ng khoa h c đa ngƠnh, đa lĩnh v c, v i nh ng phép đo ngƠy m t chính xác h n, t ch m d t nh ng cu c tranh cƣi v c h c th ng kê, hay c g ng lí gi i m i hi n t ng v t lí b ng nh ng thăng giáng chính xác v mặt toán h c c a ê te. C ba khám phá, tia X, tia Uranium, vƠ electron, lƠ thƠnh t u phát sinh từ m t trong nh ng truy n th ng th c nghi m ch đ o trong nửa sau th k 1λ, đó lƠ nghiên c u s phóng đi n trong ch t khí. C ba khám phá đƣ góp ph n lƠm chuy n bi n sơu s c đ i v i n n v t lí h c. Trong th k th 20, ngƠnh v t lí t p trung vƠo nghiên c u các h t s c p.
VƠo tháng 10 năm 18λη Roentgen đƣ chuy n sang nghiên c u tia Cathode. Trong quá trình lặp l i các thí nghi m c a Hertz vƠ Lenard, Roentgen nh n th y tia X phát ra từ s huǶnh quang sáng r trên ng, n i tia cathode va ch m v i th y tinh vƠ b phơn tán ra. Chúng lƠm đen kính nh vƠ lƠm cho các ch t khí d n đi n.
Tia X có b c sóng nh h n ánh sáng trong mi n UV-Vis. Năm 1λ12, Max Von Laue nh n th y r ng theo lỦ thuy t c u t o v t r n, m ng tinh th đ c c u t o từ nh ng nguyên tử hay ion phơn b m t cách đ u đặn trong không gian theo m t quy lu t xác đ nh. Kho ng cách gi a các nguyên tử vƠo kho ng vƠi angstrom, t c vƠo kho ng b c sóng c a tia X. Khi chi u m t chùm tia X vƠo b mặt tinh th vƠ đi vƠo bên trong tinh th thì m ng tinh th đóng vai trò nh m t cách tử nhi u x
20
đặc bi t. Khi đó, t p h p các tia ph n x từ các h mặt nguyên tử song song trong tinh th đ m b o giao thoa tăng c ng t o nên ph nhi u x tia X [3].
Hình 2.7. Nhi u x c a tia X trên tinh th .
Từ gi thuy t nƠy, ng i ta chi u m t chùm tia X vƠo m u đ ng sunfat (CuSO4) vƠ ghi nh l i trên phim. Ng i ta quan sát th y nh ng v t gơy nên b i các chùm tia X nhi u x t p trung xung quanh m t v t l n, lƠ n i chùm tia X l n đ p vƠo t m phim. Thí nghi m nƠy ch ng t r ng, các tinh th t o thƠnh b i các nguyên tử đ c s p x p có tr t t trong m t m ng không gian.
2.2.1.2. Tính chất tia X:
Tia X có b c sóng ng n nên kh năng xuyên th u l n. Đ xuyên sơu c a tia X ph thu c b n ch t v t li u mƠ tia X chi u vƠo. Đ i v i m t ch t, đ xuyên sơu tia X ph thu c vƠo b dƠy v t li u đó. Khi truy n qua b t kǶ v t li u nƠo, tia X đ u b h p th . Tia X b h p th do hai quá trình sauμ
- H p th th c, t c lƠ quá trình chuy n năng l ng tia X thƠnh các d ng năng l ng khác. Quy lu t suy gi m c ng đ c a tia X tuơn theo ph ng trìnhμ
I = I0.e- x (2.1) Trong đó, μ h s suy gi m tuy n tính.
xμ b dƠy tia X xuyên qua. I0μ c ng đ tia X ban đ u. Iμ c ng đ tia X lúc sau.
Kh năng h p th c a v t ch t th ng đ c đặc tr ng b i l p bán suy gi m, lƠ b dƠy Δ c a l p v t ch t mƠ khi truy n qua đó c ng đ c a tia X gi m đi m t nửaμ
21
∆=ln 2 (2. 2)
Tán x , t c lƠ s thay đ i ph ng truy n tia X. Khi chi u tia X vƠo m u, các tia X gơy ra s giao đ ng c ng b c c a các đi n tử trong nguyên tử v t tán x , nh ng đi n tử đó tr thƠnh các tơm phát tia tán x th c p có cùng b c sóng v i tia s c p ban đ u. Tr ng h p tia X có b c sóng ng n ( < 0.3 Å) thì xu t hi n s tán x không k t h p. Các l ng tử tia X va ch m v i các đi n tử t do, sau quá trình nƠy đi n tử nh n đ c m t v n t c h p v i ph ng tia s c p m t góc Φ vƠ xu t hi n m t l ng tử tia X m i l ch ph ng ban đ u m t góc .
Hình 2.8. S đ t ng tác gi a m t l ng tử tia X v i m t đi n tử t do. [5]
Tia X có kh năng gơy ra hi n t ng phát quang m t s ch t, lƠm đen phim nh vƠ tác d ng m nh lên c th s ng, gơy nguy h i cho s c kh e. Vì v y, khi làm vi c c n h t s c chú Ủ đ n an toƠn b c x .
2.2.1.3. Ngu n phát tia X
Tia X phát sinh khi các đi n tử hoặc các h t mang đi n khác b hƣm b ̉i m t v t ch n vƠ xu t hi n trong các quá trình t ng tác gi a b c x v i v t ch t.
Thông th ng đ t o tia X ng i ta sử d ng đi n tử vì đ gia t c đi n tử đòi h i c ng đ đi n tr ng nh h n so v i trừ ng h p dùng các lo i h t mang đi n khác. Đ có tia X có b c sóng c c ng n công su t l n có th sử d ng bêtatron. Trong
22
m t s tr ng h p nghiên c u c u trúc b ng tia X ng i ta còn sử d ng các ngu n đ ng v phóng x hi n đ i.Berili (Be) đ c dùng lƠm cửa s vì nó h u nh trong su t đ i v i tia X.
Hình 2.9. S đ gi i thi u các thành ph n chính c a ng phát tia X. Tia X đ c t o ra trong ng phát R ntgen g m hai c c đi n trong bu ng chơn không nh đ c ch ra trong hình 2.9. Các đi n tử đ c sinh ra do nung nóng catot nhi t vonfram. Catot có đi n áp ơm cao vƠ các đi n tử đ c tăng t c v phía anot th ng n i đ t. Các đi n tử v i v n t c l n t i đ p vƠo anot đ c lƠm ngu i b ng n c. S t n hao năng l ng c a đi n tử do va ch m v i anot kim lo i đ c chuy n thƠnh tia X. Thông th ng ch kho ng m t ph n trăm năng l ng (<1%) c a tia đi n tử chuy n thƠnh tia X, ph n l n b tiêu tán d i d ng nhi t t i anot kim lo i đ c lƠm l nh. [4]
2.2.1.4. Hi n t ng nhi u x tia X
Nhi u x lƠ đặc tính chung c a các sóng vƠ có th có xem lƠ s thay đ i cách xử s c a các tia sáng hoặc các sóng khác do s t ng tác c a nó v i v t ch t. Khi chi u tia X vƠo nguyên tử thì các đi n tử s dao đ ng quanh v trí trung bình c a
23
chúng. L u Ủ r ng khi đi n tử b hƣm nó s phát x tia X, quá trình h p th vƠ tái phát b c x đi n tử nƠy đ c g i lƠ tán x .
Khi hai sóng r i vƠo nguyên tử, chúng s b tán x b i đi n tử theo h ng t i. Hai sóng tán x theo h ng t i đ c g i lƠ cùng pha n u có cùng quãng đ ng đi tr c vƠ sau khi tán x , nói cách khác lƠ hi u quang trình s b ng không. N u c ng hai sóng nƠy, t c lƠ l y t ng biên đ c a chúng thì ta s nh n đ c m t sóng cùng b c sóng nh ng có biên đ g p đôi v i hai sóng ban đ u. Các sóng tán x theo các ph ng khác nhau s không cùng pha khi hi u quang trình tr c vƠ sau khi tán x không ph i lƠ s nguyên l n b c sóng.
N u xem các nguyên tử lƠ x p sát nhau vƠ m i nguyên tử đóng góp nhi u tia X tán x , các sóng tán x từ m i nguyên tử giao thoa v i nhau, n u các sóng lƠ cùng pha thì s xu t hi n giao thoa tăng c ng, n u l ch pha 180o thì x y ra hi n t ng giao thoa t t.
Đ mô t hi n t ng nhi u x , ng i ta đ a ra ba thu t ng sauμ tán x (Scattering), giao thoa (Interference), nhi u x (Diffraction)μ
- Tán x μ lƠ quá trình đó b c x b h p th vƠ tái b c x phát sinh theo các h ng khác nhau.
- Giao thoaμ lƠ s ch ng ch t c a hai hay nhi u sóng tán x t o thƠnh sóng t ng h p.
- Nhi u x μ lƠ s giao thoa tăng c ng c a nhi u h n m t sóng tán x .
2.2.1.5. Đ nh lu t Bragg
Khi chi u tia X có b c sóng (10-4 ậ 102 0 ) t ng ng v i kho ng cách gi a các mặt ph ng nguyên tử vƠo v t r n tinh th s xu t hi n các tia nhi u x v i c ng đ vƠ các ph ng khác nhau, các ph ng nhi u x ph thu c vƠo b c sóng c a b c x t i vƠ b n ch t c a mẩu tinh th . Đ nh lu t Bragg thi t l p m i quan h gi a b c sóng tia X vƠ kho ng cách gi a các mặt nguyên tử.
Đ d n t i đ nh lu t Bragg c n gi thuy t r ng m i mặt ph ng nguyên tử ph n x sóng t i đ c l p nh ph n x g ng. Các tia X không th c s b ph n x - chúng b
24
tán x - song r t thu n ti n n u xem chúng lƠ ph n x , vƠ ng i ta th ng g i các mặt ph ng lƠ ắ mặt ph n x ắ vƠ tia nhi u x lƠ ắ tia ph n x ắ .
Gi sử có hai mặt ph ng nguyên tử song song A ậ A ằ vƠ B ậBẲ có cùng ch s Miller h, k và l vƠ cách nhau b i kho ng cách gi a các mặt ph ng nguyên tử dhkl. Đ đ n gi n, cho mặt ph ng tinh th c a các tơm tán x nguyên tử đ c thay th b ng mặt tinh th đóng vai trò nh mặt ph n x g ng đ i v i tia X t i.
Hình 2.10. Nguyên lý nhi u x theo đi ̣nh luơ ̣t Bragg
Gi sử hai tia 1 vƠ 2 đ n s c, song song vƠ cùng pha v i b c sóng chi u vƠo hai mặt ph ng nƠy d i m t góc . Hai tia b tán x b i nguyên tử P vƠ Q vƠ cho hai tia ph n x 1Ẳ vƠ 2Ẳ cũng d i m t góc so v i các mặt ph ng nƠy, hình 2.10.S giao thoa c a tia X tán x 1Ẳ vƠ 2Ẳ x y ra n u hi u quƣng đ ng 1-P-1Ẳ vƠ 2-Q-2Ẳ , t c SQ + QT , b ng s nguyên l n b c sóng. Nh v y đi u ki n nhi u x là :
n = SQ + QT (2. 3) n = 2dhklsin (2. 4) Trong đóμ n = 1 , 2 , 3 . . . đ c g i lƠ b c ph n x .
Ph ng trình (2.4) chính lƠ đ nh lu t Bragg bi u th m i quan h đ n gi n gi a góc c a tia nhi u x v i b c sóng tia X t i vƠ kho ng cách gi a các mặt ph ng nguyên tử dhkl. N u đ nh lu t Bragg không đ c tho mƣn thì s giao thoa th c ch t s không có vì c ng đ nhi u x thu đ c lƠ r t nh .
25
Trong h u h t các tr ng h p, b c ph n x th nh t đ c sử d ng, n = 1, do đó đ nh lu t Bragg đ c vi t nh sau μ
n = 2dhkl sin (2.5) Khi n > 1, các ph n x đ c g i lƠ ph n x b c cao. Ta có th vi t ph ng trình (2.4) nh sau μ
= 2(dhkl /n)sin (2. 6) Trong đó dhkl/n lƠ kho ng cách gi a các mặt ( nh nk nl ). Vì th , có th xem ph n x b c cao lƠ ph n x b c nh t từ các mặt đặt t i kho ng cách b ng 1/n kho ng cách d. B ng cách đặt dẲ = d/n vƠ thay vƠo ph ng trình (2. θ) ta có th vi t đ nh lu t Bragg theo cách thông th ng lƠ μ
= 2dẲ sin (2. 7) hoặc = 2d sin (2. 8) Khi chùm tia X có b c sóng đ ng vƠo m t tinh th , chùm tia b ph n x không ch từ các nguyên tử b mặt mƠ còn từ các nguyên tử phía d i l p b mặt v i m t chi u sơu đáng k . [10]
2.2.2. Nhi u x tia X.
2.2.2.1. Khái ni m đ ng nhi u x
Đ ng cong phơn b c ng đ nhi u x d c theo tr c đo góc g i lƠ đ ng nhi u x . Đ ng nhi u x có d ng hình chuông nh hình 2.11 v i tr s c c đ i n m g n tr s góc đ i v i mặt nhi u x hkl [4].
26
2.2.2.2. Chuẩn hóa đ ng nhi u x Chuẩn hóa th a s Lorentz-polarization(LP) Chuẩn hóa th a s Lorentz-polarization(LP)
Thừa s Lorentz liên quan đ n m i y u t hình h c có nh h ng đ n t ng c ng đ c a đ ng nhi u x vƠ đ c đ nh nghĩa b i bi u th cμ [4]
(2. 9) Khi m t chùm tia X b phơn c c đ ng vƠo m t electron thì t ng c ng đ phát tán t i m t đi m M (hình 2.12) cho b i c ng th c sauμ
. (2.10) Trong đó I0c ng đ chùm tia t i. K lƠ h ng s . góc nhi u x . Bi u th c đ c g i lƠ h s phơn c c. Hình 2.12. S phát tán từ m t electron đ n đi m M. [16]
Ta có thừa s Lorentz-polarization (LP):
(2.11) 2 1 . 4sin cos Lorentz factor 2 2 0 1 cos 2 2 K I I r 2 2 1 cos 2 2 2 1 cos 2 . sin cos
Lorentz polarization factor
27
Chuẩn hóa đ ng phông (Background)
C ng đ t i m i đi m c a đ ng nhi u x g m hai ph nμ c ng đ c n đo vƠ c ng đ phông. Do đó c n lo i b phông b ng cách v đ ng phông. Th c nghi m cho th y r ng trong ph m vi góc c a m t đ ng nhi u x , c ng đ không ph thu c tuy n tính vƠo góc nhi u x , do đó đ ng phông có d ng đ ng th ng v từ mép c c trái đ n mép c c ph i c a đ ng nhi u x nh n đ c từ th c nghi m nh hình 2.13 [16]
Hình 2.13. Chuẩn hóa đ ng phông c a đ ng nhi u x .[16]
Gi sử ta có m t t p các d li u nhi u x từ (x0,y0) đ n (xn,yn) đ c bi u di n trên hình 2.13. C ng đ phông đ c đ nh nghĩa lƠ đ ng th ng n i từ đi m (x0,y0)
đ n (xn,yn) c a đ ng nhi u x . Ta cóμ (2.12) C ng đ phông ybit i xib t kǶ đ c tính từ bi u th cμ . (2.13) 0 0 0 , ( ). i n n MN AC PQ AB x x AC MN PQ y y AB x x 0 0 0 0 0 0 0 0 ( ) i n i i bi n n n n n x x x x x x y y y y y y x x x x x x
28
2.2.2.3. Các ph ng pháp ghi ph nhi u x tia X.
a. Ghi ph nhi u x b ng phim nh.
Ghi ph nhi u x tia X b ng phim nh đ c sử d ng ph bi n, ng i ta dùng phim chuyên dùng đ ghi tia X. Đơy lƠ lo i phim đặc bi t, có hai l p nhũ t ng c m quang và n ng đ brômua b c (AgBr) trên m t đ n v di n tích c m quang cao h n so v i phim thông th ng. Năng l ng chùm tia b h p th trong l p c m quang đƣ gơy ra tác đ ng quang h c t o nh trên phim, năng l ng b h p th này ph thu c vƠo b c sóng c a tia X chi u vào phim.