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: ω vaän toác goùc
ν taàn soá
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
Å cho böùc xaï tia X
1m = 102cm = 106μm = 109nm = 1010Å
2. Taàn soá ν Soá dao ñoäng trong moät ñôn vò thôøi gian.
1-
10 s ,
(cm)
)s/cm( 103c
λ
×
=
λ
=ν (1.2)
3. Soá soùng
ν Soá dao ñoäng trong moät ñôn vò chieàu daøi.
K cm ,
c
11- ≡
ν
=
λ
=ν (K: kaiser) (1.3)
Chöông 1 Ñaïi cöông veà böùc xaï tia X 3
4. Naêng löôïng ε cuûa moät photon ñöôïc xaùc ñònh theo heä thöùc Planck:
ν=
λ
=ν=ε hc
c
hh (1.4)
trong ñoù: h haèng soá Planck,
h = 6,626×10–27 erg.s = 6,626×10–34 J.s
ε naêng löôïng cuûa moät photon,
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
Vi soùng Quay phaân töû hay dao ñoäng nuùt maïng Eqy 10–3–1
Hoàng ngoaïi Dao ñoäng lieân keát Edñ 1–102
Khaû kieán – Töû ngoaïi Kích thích ñieän töû beân ngoaøi Eñt 102–104
Tia X Kích thích ñieän töû beân trong Enx 104–106
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.