Bài giảng Sự nhiễu xạ tia X bởi tinh thể chất rắn

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:94

Thêm vào BST

Báo xấu

270
lượt xem 24
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Sự nhiễu xạ tia X bởi tinh thể chất rắn tập trung làm rõ về nơron, hạt đơn, vật liệu rắn, sự nhiễu xạ từ một họ mặt của mạng tinh thể, 3 điểm quan trọng có thể rút ra từ phương trình Brag, hai góc nhiễu xạ giới hạn, sự nhiễu xạ trên tinh thể, sự tán xạ tia X bởi electron và một số nội dung khác.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Sự nhiễu xạ tia X bởi tinh thể chất rắn

Một cách trực tiếp nhất để biết dạng của các vật thể là nhìn chúng. Nếu chúng quá nhỏ ta dùng kính hiển vi. Tuy nhiên với kính hiển vi thông thường có một giới hạn khi nhìn các vật nhỏ. Giới hạn đó ( “ giới hạn nhiễu xạ “ ) làm cho ta không thể thấy các vật có kích thước rất nhỏ hơn bước sóng được dùng để nhìn chúng. Bước sóng của ánh sáng nhìn thấy được khoảng 1 mm trong khi khoảng cách giữa các nguyên tử trong tinh thể vào khoảng vài A. Bước sóng của tia X : ~ vài , chục A.
Ta có thể dùng các loại sóng khác có bước sóng nằm trong khoảng vài Ao đến vài chục Ao. Từ Cơ học lượng tử : các hạt có bản chất sóng. Hạt chuyển động càng nhanh thì bước sóng càng ngắn . Hai loại hạt có thể gia tốc đến vận tốc đủ tạo ra sóng có bước sóng ngắn đó là : nơtron và electron.
Không thể phân biệt được các chi tiết bé hơn bước sóng của bức xạ mà ta dùng để quan sát chúng. Khoảng cách của các nguyên tử trong tinh thể chỉ vào khoảng Å . Muốn quan sát được cấu trúc bên trong tinh thể cần dùng những bức xạ có bước sóng cỡ Å.
Tia X : 12,4 l(A0) = E(keV) 0,28 Với chùm neutron E(eV) 0,28 l(A0) = E(eV) Với chùm electron 12 l(A0) = E(eV)
Nơtron Khối lượng nơtron = 1,675x10-27 kg Bước sóng điển hình 1- 0,01 nm Vận tốc điển hình 400 – 40000 ms-1 Năng lượng điển hình 0,8 – 8000 meV Nhiệt độ điển hình 9 – 90000 K (nơtron nhiệt )
Hạt đơn Để hiểu được hiện tượng nhiễu xạ ta hãy xét điều gì xẩy ra khi một sóng tương tác với một hạt. Hạt tán xạ sóng tới đồng nhất theo mọi hướng.
Vật liệu rắn  Nếu các nguyên tử sắp xếp không có trật tự, khi có sóng tới, các chùm tán xạ tăng cường và triệt nhau một cách hỗn loạn. Chúng không thể tăng cường lẫn nhau theo một chiều nào đó để cho chùm tia nhiễu xạ.  Trong vật liệu kết tinh, các nguyên tử hay phân tử sắp xếp có trật tự, tuần hoàn trong không gian, các chùm tán xạ cộng vào nhau theo một số chiều và tăng cường nhau để cho các chùm nhiễu xạ.
Năm 1915 hai cha con nhà họ Bragg được giải thưởng Nobel về những đóng góp trong lĩnh vực phân tích cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Năm đó W.L. Bragg mới 25 tuổi, là người trẻ nhất được giải thưởng lớn này. W.L. and W.H. Bragg
Khi góc tới bằng góc phản xạ nếu các tia đến mặt gương đồng pha thì khi phản xạ vẫn đồng pha cho dù chúng đập vào gương ở điểm nào. Khi góc tới và góc phản xạ bằng nhau : bc = ad , các tia phản xạ từ hai điểm của mặt có quang lộ như nhau nên hiệu pha giữa chúng không đổi.
Sự nhiễu xạ từ một họ mặt của mạng tinh thể Định luật Bragg Giao thoa tăng cường khi Định luật Bragg Công thức Bragg là hệ quả của tính chất cơ bản của tinh thể là tính tuần hoàn mà không liên quan gì đến thành phần hóa học của tinh thể cũng như cách sắp xếp của các nguyên tử trong những mặt phẳng phản xạ.
3 điềm quan trọng có thể rút ra từ phương trình Bragg : (1) sin(q) tỷ lệ với 1/d : khoảng cách giữa các nguyên tử càng lớn thì góc nhiễu xạ càng nhỏ và ngược lại. Điều này cho thấy mối quan hệ nghịch đảo giữa sự sắp xếp thực của các nguyên tử và các vết nhiễu xạ dẫn tới khái niệm về không gian đảo. (2) sin(q) tỷ lệ với l : góc nhiễu xạ nhỏ khi bước sóng tia X nhỏ (3) Nhiễu xạ có cùng xác suất với n=1 và n= -1 : các vết nhiễu xạ phân bố với một sự đối xứng nào đó.
Hai góc nhiễu xạ giới hạn : = 0o : các tia không thay đổi chiều, quang lộ như nhau với các hạt ( không phụ thuộc vị trí của chúng ).  Không cho thông tin về sự sắp xếp trong không gian của các nguyên tử. q= 90o : tia phản xạ quay ngược lại nguồn. Hiệu quang lộ bằng 2d -> chỉ thu được thông tin về khoảng cách bằng nửa bước sóng sử dụng. Muốn có độ phân giải cao cần dùng bước sóng ngắn ( để phân tích cấu trúc tinh thể phải dùng tia X mà không dùng ánh sáng )
 Với 2 nguyên tử : cường độ nhiễu xạ thay đổi dần dần từ 0 khi hiệu quang lộ = (n+1/2) l đến cực đại khi hiệu quang lộ = n l  Với nhiều nguyên tử cách đều nhau: cường độ nhiễu xạ gần như bằng 0 với mọi góc trừ góc mà theo đó hiệu quang lộ bằng một số nguyên lần bước sóng.
Sự nhiễu xạ trên tinh thể Phương trình Bragg cho ta biết điều kiện xuất hiện và chiều của chùm tia phản xạ trên 1 họ mặt nào đó của một tinh thể đơn giản P dựa trên giả thiết hạt tán xạ là 1 điểm đứng yên ở các nút mạng. Định luật Bragg (1) không cho biết về cường độ và độ rộng của các đỉnh nhiễu xạ (2) bỏ qua sự tán xạ khác nhau từ các nguyên tử khác nhau (3) bỏ qua sự phân bố của điện tích quanh hạt nhân. Sau đây ta sẽ xét sự nhiễu xạ tia X trong những điều kiện gần với thực tế hơn.
Sự tán xạ tia X bởi electron Tán xạ Thomson (suy được từ lý thuyết bức xạ cổ điển của electron dao động) Nếu sóng tới dọc theo chiều Ox và z electron ở điểm O, cường độ bức xạ tán xạ do electron ở điểm P ( được xác định P r bởi góc q và khoảng cách r ) bằng : O 1 1  cos2 2q 2q y I e  Re ( 2 )( )I 0 x r 2 e4 Re = 2 2 4 = 2,81.10-15 m được gọi là bán kính cổ điển của electron (4 0 ) m c Tỷ số (Ie / Io) phụ thuộc vào góc tán xạ q . Góc tán xạ càng nhỏ thì tỷ số đó càng lớn . Cường độ tán xạ mạnh nhất theo và ngược chiều của chùm tia tới nhưng vẫn rất nhỏ so với cường độ Io của sóng tới.
Sự tán xạ tia X bởi nguyên tử Công thức Thompon cũng đúng cho tán xạ trên proton . Vì cường độ tán xạ tỷ lệ ngược với khối lượng của hạt nên tán xạ trên proton yếu hơn 1840 lần so với tán xạ trên electron và có thể bỏ qua. Từ đó ta đi đến kết luận : sự tán xạ của tia rơn-ghen trên các nguyên tử chủ yếu do các electron.
Sự tán xạ tia X bởi electron trong nguyên tử Nói chung có 2 loại tán xạ trên electron :  tán xạ kết hợp ( không thay đổi bước sóng )  tán xạ không kết hợp với sự thay đổi của bước sóng ( tán xạ Compton ) .