Bài giảng Đại cương bức xạ tia X

Chia sẻ: Dangminh Tien | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:40

Thêm vào BST

Báo xấu

102
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

tài liệu vật lý tham khảo môn vật lý

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Đại cương bức xạ tia X

Chöông 1 Ñaïi cöông veà böùc xaï tia X 1 Chöông 1 Ñaïi cöông veà böùc xaï tia X 1.1 Caùc khaùi nieäm cô baûn 1.1.1 Böùc xaï 1. Böùc xaï laø moät daïng naêng löôïng coù baûn chaát soùng–haït. 2. Theo lyù thuyeát soùng, böùc xaï laø moät soùng ñieän töø ñieàu hoøa coù ñieän tröôøng cuøng pha vaø vuoâng goùc vôùi töø tröôøng. Hình 1.1 Dao ñoäng ñieän vaø dao ñoäng töø cuûa soùng ñieän töø 3. Böùc xaï ñieän töø ñöôïc bieåu thò ñaëc tröng baèng phöông trình soùng ñieàu hoøa hình sin: y = Asinωt = Asin2πνt (1.1) trong ñoù: vaän toác goùc ω taàn soá ν Hình 1.2 Dao ñoäng hình sin cuûa soùng ñieän töø
Chöông 1 Ñaïi cöông veà böùc xaï tia X 2 4. Söï toå hôïp caùc soùng cuøng taàn soá khi xem xeùt veà yeáu toá pha coù theå daãn ñeán hai giôùi haïn bieân laø söï (1) trieät tieâu vaø (2) coäng höôûng naêng löôïng cuûa caùc soùng naøy. Hình 1.3 Söï toå hôïp trieät tieâu soùng Söï toå hôïp coäng höôûng soùng 5. Böùc xaï ñieän töø di chuyeån trong chaân khoâng vôùi vaän toác aùnh saùng c ≈ 3×108 m/s. 6. Theo lyù thuyeát haït, böùc xaï bao goàm caùc “haït naêng löôïng” ñöôïc goïi laø photon ñöôïc theå hieän trong hieäu öùng quang ñieän vaø hieäu öùng Compton. Hình 1.4 Hieäu öùng quang ñieän Hieäu öùng Compton 7. Nhö vaäy, naêng löôïng cuûa böùc xaï ñaõ ñöôïc löôïng töû hoùa thaønh töøng löôïng töû naêng löôïng voâ cuøng nhoû. 8. Söï toå hôïp caùc photon khoâng daãn ñeán söï trieät tieâu hay coäng höôûng naêng löôïng cuûa caùc photon maø chæ laø söï coäng toång naêng löôïng cuûa caùc photon. 9. Chæ coù theå giaûi thích ñaày ñuû caùc hieän töôïng xaûy ra khi thöøa nhaän baûn chaát nhò nguyeân soùng–haït cuûa böùc xaï. 1.1.2 Caùc ñaïi löôïng ño böùc xaï 1. Böôùc soùng λ Chieàu daøi cuûa moät dao ñoäng hoaøn chænh cuûa moät böùc xaï. Ñôn vò: m, cm cho böùc xaï vi soùng μm cho böùc xaï hoàng ngoaïi nm cho böùc xaï khaû kieán, töû ngoaïi cho böùc xaï tia X Å 1m = 102cm = 106μm = 109nm = 1010Å 2. Taàn soá ν Soá dao ñoäng trong moät ñôn vò thôøi gian. c 3 × 1010 (cm / s) -1 ,s (1.2) ν= = λ (cm) λ 3. Soá soùng ν Soá dao ñoäng trong moät ñôn vò chieàu daøi. 1ν = , cm-1 ≡ K (K: kaiser) (1.3) ν= λc
Chöông 1 Ñaïi cöông veà böùc xaï tia X 3 4. Naêng löôïng ε cuûa moät photon ñöôïc xaùc ñònh theo heä thöùc Planck: c (1.4) ε = hν = h = hcν λ trong ñoù: h haèng soá Planck, h = 6,626×10–27 erg.s = 6,626×10–34 J.s naêng löôïng cuûa moät photon, ε tính baèng erg khi ν tính baèng cm–1 hay λ tính baèng cm 1erg = 10–7 J = 2,3884×10–8 cal = 0,6241 eV Ví duï 1: Moät photon böùc xaï hoàng ngoaïi coù soá soùng ν = 1 cm–1 coù naêng löôïng: • ε1cm–1 = hc ν = 6,626×10–27 erg.s × 3×1010 cm.s–1 × 1 cm–1 ε1cm–1 = 1,988×10–16 erg = 1,988×10–23 J Ví duï 2: Moät mol chaát haáp thu 1 mol photon böùc xaï hoàng ngoaïi coù soá soùng ν = 1 • cm–1 seõ taêng theâm moät löôïng naêng löôïng: E1cm–1 = ε × NA = 1,988×10–16 erg × 6,023×1023 mol–1 = 1,197×108 erg.mol–1 E1cm–1 = 1,197×108 erg.mol–1 = 11,97 J.mol–1 = 2,859 cal.mol–1 Ví duï 3: Moät photon böùc xaï töû ngoaïi coù böôùc soùng λ = 1 nm coù naêng löôïng: • ε1nm = hc/λ = [6,626×10–27 erg.s × 3×1010 cm.s–1] / 10–7 cm ε1nm = 1,988×10–10 erg = 1,988×10–17 J Ví duï 4: Moät mol chaát haáp thu 1 mol photon böùc xaï töû ngoaïi coù böôùc soùng λ = 1 nm • seõ taêng theâm moät löôïng naêng löôïng: E1nm = ε × NA = 1,988×10–10 erg × 6,023×1023 mol–1 = 1,197×1014 erg.mol–1 E1nm = 1,197×1014 erg.mol–1 = 1,197×105 kJ.mol–1 = 2,859×104 kcal.mol–1 1.1.3 Töông taùc giöõa böùc xaï vôùi chaát 1. Khi moät böùc xaï ñeán chaát, böùc xaï coù theå ñöôïc (1) haáp thu vaøo chaát, (2) truyeàn qua chaát hay (3) phaûn xaï vaø (4) taùn xaï treân beà maët chaát. 2. Boán quaù trình treân coù theå xaûy ra ñoàng thôøi sao cho toång naêng löôïng cuûa chuùng baèng toång naêng löôïng cuûa böùc xaï tôùi. Hình 1.5 Töông taùc Hình 1.6 Moâ hình ñôn giaûn vaø sai leäch giöõa böùc xaï vôùi chaát veà quaù trình haáp thu vaø phaùt xaï ñieän töø
Chöông 1 Ñaïi cöông veà böùc xaï tia X 4 3. Quaù trình haáp thu khoâng ñôn giaûn laø haáp thu naêng löôïng cuûa moät böùc xaï vaø phaùt xaï trôû laïi moät böùc xaï coù naêng löôïng ñuùng baèng naêng löôïng ñöôïc haáp thu vì nhö vaäy seõ khoâng coù phoå haáp thu do khoâng coù moät bieán ñoåi naøo veà naêng löôïng vaø böôùc soùng cuûa böùc xaï tôùi sô caáp vaø böùc xaï loù thöù caáp. 4. Tuøy thuoäc vaøo cöôøng ñoä naêng löôïng cuûa böùc xaï vaø baûn chaát cuûa chaát haáp thu maø seõ xaûy ra caùc quaù trình chuyeån hoùa khaùc nhau ñoái vôùi naêng löôïng ñöôïc haáp thu nhö quay phaân töû, dao ñoäng lieân keát, kích thích ñieän töû beân ngoaøi hay beân trong,… Baûng 1.1 Caùc quaù trình chính xaûy ra töông öùng vôùi loaïi böùc xaï kích thích Loaïi böùc xaï Quaù trình xaûy ra Naêng löôïng, kJ/mol 10–3–1 Vi soùng Quay phaân töû hay dao ñoäng nuùt maïng Eqy 1–102 Hoàng ngoaïi Dao ñoäng lieân keát Edñ 102–104 Khaû kieán – Töû ngoaïi Kích thích ñieän töû beân ngoaøi Eñt 104–106 Tia X Kích thích ñieän töû beân trong Enx Hình 1.7 Phaân loaïi vaø taùc duïng cuûa caùc böùc xaï ñieän töø ñoái vôùi caùc tieåu phaân Hình 1.8 Sô ñoà chuyeån möùc naêng löôïng trong quaù trình haáp thu böùc xaï cuûa ñieän töû
Chöông 1 Ñaïi cöông veà böùc xaï tia X 5 5. Moät phaàn naêng löôïng haáp thu seõ chuyeån sang dao ñoäng nhieät laøm cho caùc chaát haáp thu böùc xaï noùng leân do caùc daïng naêng löôïng quay, dao ñoäng, chuyeån ñoäng tònh tieán,… cuûa caùc tieåu phaân. 6. Phaàn naêng löôïng coøn laïi seõ ñöôïc phaùt xaï trôû laïi moâi tröôøng khi phaân töû chuyeån töø traïng thaùi kích thích veà traïng thaùi cô baûn vôùi giaù trò luoân luoân nhoû hôn giaù trò naêng löôïng böùc xaï maø phaân töû haáp thu ban ñaàu. 1.2 Töông taùc giöõa böùc xaï tia X vôùi chaát 1. Böùc xaï tia X bao goàm caùc böùc xaï coù böôùc soùng λ naèm trong khoaûng 10–0,1nm, hay soá soùng ν naèm trong khoaûng 106–108cm–1, töông öùng vôùi naêng löôïng E laø 104–106 kJ/mol. 2. Vôùi naêng löôïng cao naøy, böùc xaï tia X coù khaû naêng kích thích caùc ñieän töû naèm ôû caùc lôùp voû beân trong cuûa caùc nguyeân töû. 3. Khi böùc xaï tia X sô caáp ñeán chaát, coù theå xaûy ra 3 tröôøng hôïp khaùc nhau. 4. Tröôøng hôïp 1: Tia X ñi xuyeân qua chaát. Thöïc teá, coù theå xem nhö böùc xaï tia X coù naêng löôïng raát cao neân khoâng bò khuùc xaï khi ñi qua chaát. 5. Tröôøng hôïp 2: Tia X tôùi va chaïm vaøo caùc nguyeân töû neân bò ñoåi höôùng gaây ra hieän töôïng phaûn xaï vaø taùn xaï. Tia loù trong hieän töôïng taùn xaï coù theå: a. Khoâng maát naêng löôïng neân böôùc soùng khoâng ñoåi trong taùn xaï Reyleigh. b. Maát moät phaàn naêng löôïng neân böôùc soùng taêng leân trong taùn xaï Raman. 6. Tröôøng hôïp 3: Tia X bò nguyeân töû haáp thu. Naêng löôïng haáp thu töø böùc xaï sô caáp seõ ñöôïc nguyeân töû phaùt xaï trôû laïi baèng böùc xaï thöù caáp bao goàm: a. Böùc xaï ñieän töû: Naêng löôïng haáp thu ñöôïc truyeàn sang caùc ñieän töû ôû caùc lôùp voû beân trong khieán cho caùc ñieän töû naøy thoaùt khoûi nguyeân töû taïo thaønh böùc xaï ñieän töû. b. Tia X huyønh quang: Caùc ñieän töû ôû caùc lôùp voû beân ngoaøi seõ chuyeån vaøo caùc loã troáng ôû lôùp voû beân trong do quaù trình böùc xaï ñieän töû ñeå laïi. Quaù trình naøy keøm theo söï phaùt xaï tia X huyønh quang thöù caáp coù böôùc soùng ñaëc tröng cho nguyeân töû haáp thu maø khoâng phuï thuoäc vaøo böôùc soùng tôùi. Hình 1.9 Sô ñoà phaùt xaï ñieän töû Auger vaø tia X huyønh quang 1.3 Nguoàn phaùt tia X 1. Khi moät doøng ñieän töû coù vaän toác lôùn baén phaù ñoái aâm cöïc trong moät ñeøn chaân khoâng thì ñoái aâm cöïc seõ phaùt xaï tia X.
Chöông 1 Ñaïi cöông veà böùc xaï tia X 6 2. Ñoái aâm cöïc thöôøng ñöôïc laøm baèng caùc kim loaïi chuyeån tieáp nhö Mo, Fe, Cu, Cr, Ag,… vôùi hieäu suaát böùc xaï raát thaáp,
Chöông 1 Ñaïi cöông veà böùc xaï tia X 7 (a) (b) Hình 1.12 Cöôøng ñoä cuûa phoå lieân tuïc taïi (a) Caùc ñieän theá khaùc nhau (b) Caùc kim loaïi khaùc nhau vôùi naêng löôïng 10 keV Hình 1.13 Sô ñoà caùc möùc naêng löôïng ñaëc tröng cuûa caùc vaïch K vaø L 6. Daõy K quan troïng nhaát chæ coù 3 vaïch coù cöôøng ñoä ñaùng keå. 7. Hai vaïch ñaäm nhaát laø Kα1 vaø Kα2 naèm saùt nhau coù tæ soá cöôøng ñoä. IK α1 2 = IK α 2 1 Hai vaïch naøy thöôøng khoâng theå taùch ra khoûi nhau neân ñöôïc xem nhö laø moät vaïch vôùi böôùc soùng λKα: 2λ K α1 + λ K α 2 (1.6) λK α = 3 8. Vaïch ñaäm thöù ba laø Kβ coù cöôøng ñoä baèng khoaûng 1/7 cöôøng ñoä cuûa Kα. 9. Böùc xaï Kβ ñöôïc loaïi boû ñeán 99% baèng kính loïc. Kính loïc thöôøng laøm baèng moät taám kim loaïi coù nguyeân töû soá nhoû hôn kim loaïi ñoái aâm cöïc 1–2 ñôn vò. 10. Nhö vaäy, tuøy thuoäc vaøo baûn chaát cuûa kim loaïi ñöôïc söû duïng laøm ñoái aâm cöïc maø ñeøn tia X seõ phaùt xaï moät phoå lieân tuïc vaø nhaát laø moät phoå ñaëc tröng xaùc ñònh.
Chöông 1 Ñaïi cöông veà böùc xaï tia X 8 Hình 1.14 Böùc xaï cuûa ñeøn Cu vaø ñöôøng cong haáp thu cuûa Ni Baûng 1.2 Caùc vaïch ñaëc tröng cuûa caùc kim loaïi thöôøng ñöôïc söû duïng laøm ñoái aâm cöïc Vaïch ñaëc tröng, Å Theá kích thích, Ngtoá Z kV Kα1 Kα2 Kβ Cr 24 2,2896 2,2935 2,0848 6,0 Fe 26 1,9360 1,9399 1,7565 7,1 Co 27 1,7899 1,7928 1,6208 7,7 Ni 28 1,6578 1,6618 1,5001 8,3 Cu 29 1,5405 1,5443 1,3921 8,9 Mo 42 0,7093 0,7135 0,6325 20,0
Chöông 2 Truyeàn qua tia X 9 Chöông 2 Truyeàn qua tia X X-Ray Transmission (XRT) 2.1 Ñaïi cöông veà truyeàn qua tia X 1. Khi moät chuøm tia X ñi qua chaát, moät phaàn naêng löôïng bò maát ñi do nhieãu xaï vaø haáp thu. 2. Thöïc teá, xem nhö böùc xaï tia X coù naêng löôïng raát cao khoâng bò khuùc xaï khi ñi qua chaát. 3. Cöôøng ñoä cuûa chuøm tia X loù sau khi haáp thu cuõng tuaân theo ñònh luaät Beer–Lambert: I = I0e–μlρ (2.1) trong ñoù: I0, I cöôøng ñoä tia X tôùi vaø tia loù heä soá haáp thu khoái, cm2/g μ chieàu daøy lôùp maãu, cm l khoái löôïng rieâng cuûa chaát haáp thu, g/cm3 ρ Hình 2.1 Heä soá μ theo λ cuûa Mo 4. Giaù trò cuûa heä soá haáp thu khoái phuï thuoäc vaøo baûn chaát vaø traïng thaùi cuûa chaát haáp thu. Heä soá haáp thu khoái bieán ñoåi nhanh theo nguyeân töû soá Z cuûa chaát haáp thu vaø böôùc soùng cuûa tia X tôùi: cN 4 3 (2.2) Zλ μ= A
Chöông 2 Truyeàn qua tia X 10 trong ñoù: c haèng soá tæ leä soá Avogadro, 6,023×1023 mol–1 N A nguyeân töû khoái cuûa nguyeân toá haáp thu böôùc soùng cuûa tia X tôùi λ Z nguyeân töû soá 2.2 ÖÙng duïng truyeàn qua tia X: AÛnh beân trong cuûa vaät 1. Caùc böùc xaï IR, VIS vaø UV haàu nhö khoâng theå ñi xuyeân qua caùc chaát khoâng trong suoát neân chæ taïo ñöôïc aûnh beân ngoaøi cuûa vaät. 2. Do tia X coù naêng löôïng cao coù theå ñi xuyeân qua nhieàu chaát coù heä soá haáp thu khaùc nhau vaø taïo ñöôïc aûnh beân trong cuûa vaät khi ñöôïc ghi treân phim ñöôïc ñaët phía beân tia loù. Hình 2.2 AÛnh chuïp khaû kieán AÛnh chuïp tia X taùn xaï ngöôïc 3. Ngöôøi ta söû duïng hieäu öùng naøy ñeå kieåm tra an ninh, söùc khoûe,… nghieân cöùu vaø kieåm nghieäm trong y khoa, sinh hoïc, moâi tröôøng, saûn phaåm cô khí, xaây döïng, ñieän töû,… 4. Nhieàu phöông phaùp khaùc nhau ñaõ ñöôïc phaùt trieån ñeå thu ñöôïc caùc aûnh beân trong ñaùp öùng ñöôïc caùc yeâu caàu khaûo saùt nhö: Chuïp aûnh taùn xaï ngöôïc, bieán ñoåi Laplace, chuïp aûnh xoaén, caét lôùp (CT),… Hình 2.3 Chuïp aûnh xoaén AÛnh chuïp tia X caét lôùp (CT) 5. Ngöôøi ta ñaõ cheá taïo caùc kính hieån vi tia X truyeàn qua (X-ray microscope ≡ XM) vôùi ñoä phaân giaûi ε > 15 nm cho pheùp chuïp aûnh beân trong maãu. 6. XM coù ñoä phaân giaûi cao hôn kính hieån vi ñieän töû queùt (scanning electron microscope ≡ SEM) vaø kính hieån vi ñieän töû truyeàn qua (Transmission electron microscope ≡ TEM) neân cho aûnh khoâng roõ baèng. Song noù coù moät öu theá lôùn laø cho pheùp chuïp aûnh beân trong maãu coù ñoä truyeàn qua thaáp maø caùc phöông phaùp khaùc khoâng thoûa maõn ñöôïc.
Chöông 2 Truyeàn qua tia X 11 Hình 2.4 Kính hieån vi tia X truyeàn qua (XM) vôùi ñoä phaân giaûi ε > 15 nm Hình 2.5 AÛnh chuïp naõo chuoät baèng kính hieån vi tia X queùt truyeàn qua Beà maët loûng–raén cuûa Beà maët loûng (traùi)–raén (phaûi) hôïp kim Al-Pb hoùa raén töø ← cuûa hôïp kim Al-Ag 2% Beà maët cuûa hôïp kim Beà maët loûng–raén cuûa Al-In hoùa raén töø ← hôïp kim Al-Ag 2% coù boït khí Hình 2.6 AÛnh chuïp XM beà maët cuûa caùc hôïp kim
Chöông 2 Truyeàn qua tia X 12 Hình 2.7 Kieåm tra söï ñöùt maïch taûi theo thôøi gian baèng XM Hình 2.8 Theo doûi söï ñoùng raén cuûa composit C3S (tricalcium silicat) – EVA (poly(ethylen-co-vinyl acetat) baèng XM Hình 2.9 AÛnh XM: Vôùi maãu nghieàn FIB: (a) OÁng trong xöông raêng (b) OÁng bò laáp moät phaàn (c) OÁng bò laáp moät phaàn bôûi tinh theå voâ cô (d) Maãu töông töï (a)-(c) chuaån bò baèng maùy caét sieâu môûng thay vì nghieàn FIB. (T- oáng A- khoaùng xaâm nhaäp B- khoaùng xaâm nhaäp beân trong)
Chöông 3 Nhieãu xaï tia X 13 Chöông 3 Nhieãu xaï tia X 3.1 Nhieãu xaï tia X 1. Hieän töôïng nhieãu xaï laø hieän töôïng keát hôïp cuûa taùn xaï vaø giao thoa. 2. Böùc xaï tia X ñöôïc söû duïng trong quang phoå coù böôùc soùng naèm trong khoaûng 0,5–2,5Å. 3. Khoaûng caùch giöõa caùc nguyeân töû trong tinh theå cuøng côõ vôùi böôùc soùng cuûa böùc xaï tia X naøy. 4. Trong tröôøng hôïp böùc xaï tia X taùn xaï thöù caáp treân moät tinh theå khoâng bò thay ñoåi böôùc soùng, caùc nguyeân töû cuûa tinh theå taïo thaønh moät taäp hôïp caùc nguoàn saùng keát hôïp maø böùc xaï thöù caáp töø noù coù theå giao thoa. Hình 3.1 Caáu truùc laäp phöông xeáp chaët Hình 3.2 Caáu truùc töù phöông a = b = c α = β = γ = 900 a = b ≠ c α = β = γ = 900 vaø phoå nhieãu xaï tia X cuûa boät Cu vaø phoå nhieãu xaï tia X cuûa boät Sn 5. Ñieàu kieän ñeå xaûy ra hieän töôïng giao thoa laø caùc böùc xaï tia X taùn xaï thöù caáp xuaát phaùt töø tinh theå phaûi cuøng pha vôùi nhau. 6. Caùc böùc xaï tia X taùn xaï thöù caáp khoâng cuøng pha töø tinh theå seõ töï daäp taét laãn nhau.
Chöông 3 Nhieãu xaï tia X 14 Hình 3.3 Phaân tích nhieãu xaï tia X ñôn tinh theå 7. Tinh theå bao goàm caùc nhoùm nguyeân töû saép xeáp traät töï caùch ñeàu nhau theo ba chieàu khoâng gian. Hình 3.4 Moät soá maïng tinh theå thöôøng gaëp (a) NaCl – (b) CsCl – (c) TiO2 8. Ñieàu kieän ñeå caùc böùc xaï tia X taùn xaï thöù caáp cuøng pha vôùi nhau ñoái vôùi moät tinh theå laø hieäu ñöôøng ñi cuûa caùc tia trong Hình 3.5: GY + YH = 2dsinθ (3.1) laø moät boäi soá cuûa böôùc soùng λ. 9. Nhö vaäy, söï nhieãu xaï xaûy ra khi thoûa caùc ñieàu kieän theo ñònh luaät Bragg: 2dsinθ = nλ (3.2) 10. Moãi maët maïng cuûa tinh theå coù moät khoaûng caùch d xaùc ñònh neân khi chieáu tia X coù böôùc soùng λ thì hieän töôïng nhieãu xaï chæ xaûy ra khi goùc tôùi θ thoûa ñònh luaät Bragg. Hình 3.5 Chöùng minh ñònh luaät Bragg
Chöông 3 Nhieãu xaï tia X 15 Hình 3.6 Nhieãu xaï tia X laø gì? Hình 3.7 Thöïc nghieäm nhieãu xaï tia X Hình 3.8 Buoàng nhieãu xaï tia X
Chöông 3 Nhieãu xaï tia X 16 11. Trong tröôøng hôïp toång quaùt, moät tinh theå bao goàm nhieàu loaïi nguyeân toá khaùc nhau ñöôïc xem nhö goàm moät soá maïng con ñôn giaûn loàng vaøo nhau. 12. Taát caø caùc maïng con ñôn giaûn naøy seõ taïo aûnh nhieãu xaï cuûa tinh theå. Hình 3.9 Phoå nhieãu xaï tia X cuûa SnO2 vaø CaSnSiO5 13. Vò trí cuûa vaïch nhieãu xaï, cuõng chính laø goùc nhieãu xaï chæ phuï thuoäc vaøo khoaûng caùch d giöõa caùc maët maïng, töùc laø phuï thuoäc vaøo kích thöôùc cuûa maïng tinh theå. Hình 3.10 Phoå nhieãu xaï tia X cuûa NaCl 14. Taäp hôïp ñaëc tröng cuûa caùc vaïch nhieãu xaï chæ phuï thuoäc vaøo loaïi maïng tinh theå. 15. Cöôøng ñoä I cuûa vaïch nhieãu xaï phuï thuoäc vaøo baûn chaát vaø maät ñoä cuûa caùc nguyeân toá trong tinh theå vôùi giaû ñònh caùc tinh theå ñöôïc saép xeáp moät caùch hoaøn toaøn ngaãu nhieân. Ihkl = K1n2pV⎪F⎪2D2(PL)A (3.3)
Chöông 3 Nhieãu xaï tia X 17 e4λ3 vôùi (3.4) K1 = I0 m2c 4 trong ñoù: K1 haèng soá ñoái vôùi moät loaïi böùc xaï xaùc ñònh n soá löôïng oâ cô sôû trong moät ñôn vò theå tích p thöøa soá laëp cuûa maët tinh theå hkl V theå tích tham gia nhieãu xaï |F|2 thöøa soá caáu truùc D2 D2 = exp(–2M) thöøa soá nhieät ñoä, 1+ cos2 2θ PL thöøa soá Lorentz–Thompson, PL = 2 sin2 θ cos2 θ A thöøa soá haáp thu, A = A1(μ)×A2(θ) vôùi μ laø heä soá haáp thu thaúng 3.2 Phaân loaïi phöông phaùp phaân tích nhieãu xaï tia X 1. Coù nhieàu caùch phaân loaïi phöông phaùp phaân tích nhieãu xaï tia X khaùc nhau. 2. Tuøy theo yeâu caàu coâng vieäc maø ta seõ choïn caùch phaân loaïi naøo phuø hôïp nhaát. 3. Hai caùch phaân loaïi thoâng duïng laø phaân loaïi theo daïng maãu vaø theo muïc tieâu phaân tích. 3.2.1 Phaân loaïi theo daïng maãu 1. Caên cöù vaøo daïng maãu ñem phaân tích, ngöôøi ta phaân thaønh 3 phöông phaùp chính. 2. Phöông phaùp ñôn tinh theå: Maãu laø moät haït tinh theå coù kích thöôùc ñuû lôùn. 3. Phöông phaùp boät: Maãu goàm nhöõng haït tinh theå nhoû rôøi raïc nhö caùc oxid, boät maøu,… 4. Phöông phaùp khoái: Maãu goàm nhöõng haït tinh theå keát khoái nhö caùc maåu kim loaïi, goám,… 3.2.2 Phaân loaïi theo muïc tieâu phaân tích 1. Caên cöù vaøo muïc tieâu phaân tích, ngöôøi ta phaân thaønh 3 phöông phaùp chính. 2. Phöông phaùp phaân tích caáu truùc: Khi phaân tích ñôn tinh theå, ngöôøi ta thu ñöôïc caùc veát nhieãu xaï ghi laïi treân phim (khoâng phaûi vaïch). Phoái hôïp caùc phöông phaùp phaân tích ñôn tinh theå khaùc nhau cho pheùp xaùc ñònh ñöôïc caáu truùc cuûa tinh theå. a. Phöông phaùp Laue: Söû duïng moät chuøm tia X ña saéc chieáu vaøo moät ñôn tinh theå ñöùng yeân. Phim phaúng ñöôïc ñaët vuoâng goùc vôùi chuøm tia tôùi. Töø söï coù maët, vò trí cuûa caùc veát nhieãu xaï vaø veát taét heä thoáng, ngöôøi ta suy ra caùc yeáu toá ñoái xöùng, heä tinh theå vaø nhoùm khoâng gian cuûa tinh theå. Phöông phaùp Laue khoâng cho bieát khoaûng caùch giöõa caùc maët maïng. Ngöôøi ta coøn söû duïng caùc hieäu öùng phuï cuûa phöông phaùp Laue ñeå xaùc ñònh caùc truïc cuûa tinh theå. Khi söû duïng phöông phaùp naøy cho caùc khoái ña tinh theå baát kyø, ngöôøi ta coøn xaùc ñònh ñöôïc tính ñoàng nhaát, caáu truùc vaø kích thöôùc haït tinh theå cuõng nhö öùng suaát trong khoái,… b. Phöông phaùp ñôn tinh theå quay: Söû duïng moät chuøm tia X ña saéc chieáu vaøo moät ñôn tinh theå ñöôïc quay quanh moät truïc ñoái xöùng cuûa noù. Chuøm tia tôùi ñoàng truïc vôùi truïc quay. Phim truï hay phim phaúng ñöôïc ñaët vuoâng goùc vôùi chuøm tia tôùi. Töø vò trí cuûa caùc veát nhieãu xaï, ngöôøi ta suy ra kích thöôùc cuûa oâ maïng cô sôû cuûa tinh theå cuõng nhö chæ soá Miller cuûa caùc veát nhieãu xaï.
Chöông 3 Nhieãu xaï tia X 18 c. Phöông phaùp ñôn Weissenberg: Söû duïng moät chuøm tia X ña saéc chieáu vaøo moät ñôn tinh theå ñöôïc quay quanh moät truïc ñoái xöùng cuûa noù. Chuøm tia tôùi naèm ngang vôùi truïc quay taïo thaønh moät goùc μ. Phim truï ñöôïc ñaët ñoàng truïc vôùi truïc quay vaø ñöôïc tònh tieán trong khi tinh theå quay taïo thaønh goùc quay ω. Töø vò trí cuûa caùc veát nhieãu xaï, ngöôøi ta suy ra kích thöôùc cuûa oâ maïng cô sôû cuûa tinh theå cuõng nhö chæ soá Miller cuûa caùc veát nhieãu xaï. d. Ngoaøi ra, coøn coù caùc phöông phaùp khaùc nhö phöông phaùp Buerger, phöông phaùp de Jong–Bouman,… e. Hieän nay, ngöôøi ta thay theá phim baèng oáng ñeám ñöôïc laäp trình ñeå ño taïi caùc vò trí xaùc ñònh cuûa veát nhieãu xaï nhaèm ñôn giaûn hoùa quaù trình ño vaø giaûi baøi toaùn caáu truùc. 3. Phöông phaùp phaân tích ñònh tính: Boä caùc giaù trò d vaø I trong phoå nhieãu xaï tia X cuûa moät chaát tinh theå laø moät boä caùc giaù trò xaùc ñònh. Ngöôøi ta cung caáp giaù trò d vaø I cuûa caùc maãu tham chieáu (töông töï nhö chaát chuaån trong caùc loaïi phoå khaùc) trong caùc soå tay. So saùnh ít nhaát 3 vaïch nhieãu xaï coù cöôøng ñoä I lôùn nhaát cuûa maãu nghieân cöùu vôùi maãu tham chieáu cho pheùp xaùc ñònh caáu truùc tinh theå cuûa maãu nghieân cöùu. 4. Phöông phaùp phaân tích ñònh löôïng: Cöôøng ñoä I cuûa vaïch nhieãu xaï tæ leä thuaän vôùi haøm löôïng cuûa chaát trong maãu nghieân cöùu. Tieán haønh nhieãu xaï taïi moät vaïch coù giaù trò I thuoäc loaïi cao nhaát roài so saùnh vôùi ñöôøng chuaån (ñöôøng bieán thieân I theo haøm löôïng), ta xaùc ñònh ñöôïc haøm löôïng cuûa chaát trong maãu nghieân cöùu. XRD ñôn tinh theå XRD boät töï ñoäng hoùa Hình 3.11 Moät soá maùy XRD hieän ñaïi Baûng 3.1 Ñaëc tröng cuûa caùc heä tinh theå Haïng Heä Ñaëc tröng α ≠ β ≠ γ ≠ 900 Thaáp Tam taø a≠b≠c α = β = 900 ; γ ≠ 900 Ñôn taø a≠b≠c α = β = γ = 900 Tröïc thoi a≠b≠c α = β = γ ≠ 900 Trung Tam phöông a=b=c α = β = γ = 900 Töù phöông a=b≠c α = β = γ = 900 Luïc phöông a=b≠c α = β = γ = 900 Cao Laäp phöông a=b=c
Chöông 3 Nhieãu xaï tia X 19 Hình 3.12 14 oâ maïng Bravairs 3.3 Phaân tích aûnh nhieãu xaï cuûa phöông phaùp boät 1. Tinh theå thaät chæ coù 14 daïng ñoái xöùng ñöôïc phaân thaønh 7 heä thuoäc 3 haïng ñoái xöùng. 2. Caùc giaù trò khoaûng caùch d, cöôøng ñoä I, ñöôøng neàn vaø hình daïng vaïch phoå cuûa phoå nhieãu xaï tia X cung caáp caùc döõ lieäu cô baûn veà tinh theå. Cr2O3 1200C 6h 18000 17000 16000 15000 14000 13000 12000 11000 Lin (Counts) 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale Cr2O3 1200C 6h - File: Cr2O3 1200C 6h.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 79.987 ° - Step: 0.033 ° - Step time: 40. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 0 s - 2-Theta: 10.000 ° - Theta: 5. Operations: Import Hình 3.13 Phoå nhieãu xaï tia X cuûa Cr2O3 Hình 3.14 Thieát bò phaân tích nhieãu xaï tia X theo phöông phaùp boät
Chöông 3 Nhieãu xaï tia X 20 3. Maët maïng ñöôïc xaùc ñònh baèng chæ soá hkl goïi laø chæ soá Miller. 4. Maët maïng PQR caét 3 truïc toïa ñoä taïi 3 ñieåm töông öùng vôùi thoâng soá maïng a, b vaø c. ab c 5. Xeùt maët maïng caét 3 truïc toïa ñoä taïi 3 ñieåm , vaø . hk l 6. Tæ soá toïa ñoä keùp cuûa 2 maët treân: abc (3.5) : : = h:k :l Hình 3.15 Hình bieåu dieãn abc caùc maët maïng hkl 7. Quy öôùc chæ soá Miller cuûa maët maïng môùi laø hkl. Maët maïng hkl SQR 211 TUQR 011 Hình 3.16 Chæ soá hkl cuûa moät soá maët maïng Hình 3.17 Chæ soá hkl cuûa moät maët maïng chính laø vector phaùp tuyeán cuûa maët maïng ñoù