các phương pháp phân tích hạt nhân: phần 2

Chương 2<br /> <br /> Phân tích huỳnh quang tia X<br /> Các nguyên tô* hoá học được kích thích bằng tia X, tia gam m a<br /> mềm hoặc các h ạ t m ang điện có năng lương thích hợp sẽ p h á t ra các<br /> tia X đặc trứng cho từng nguyên tố. Trên cơ sở đo n ăng lượng và<br /> rường độ của các tia X đặc trư n g đó có thể n h ậ n diện và xác định được<br /> hàm lượng của nguyên tố.<br /> <br /> 2.1 M ở đ ầ u<br /> Tia X còn gọi là tia rơngen do w. K. Roentgen p h át m inh ra năm<br /> 1895 khi bắn chùm electron vào lá kim loại. Lúc đầu vì chưa biết rõ<br /> bản ch ất của loại bức xạ này nên ông gắn cho nó cái tên là tia X.<br /> Tia X thực ch ấ t cũng là bức xạ điện từ<br /> nằm trong giải từ 0,01 A (angstrom) tới 10<br /> Các tia X có bước sóng ngắn hơn 1 Ả gọi là<br /> gọi là tia X mềm. N ăn g lượng của tia X tính<br /> <br /> nhưng có bước sóng ngắn,<br /> Ả, hoặc th ậ m chí dài hơn.<br /> tia X cứng và dài hơn 1 Ả<br /> theo bước sóng như sau:<br /> <br /> r 12,398<br /> E =-----Ả<br /> trong dó E đo bằng keV, X đo bằng Ả.<br /> Việc p h át m inh ra tia X là một sự kiện quan trọng trong lịch sử<br /> p h át triển của ng àn h vật lý. Tia X và tia gam m a giống n h au ỏ chỗ đểu<br /> là bức xạ điện từ, như ng có nguồn gốc khác nhau. Tia gam m a sinh ra<br /> từ h ạ t n h â n còn tia X sinh ra từ nguyên tử. N ăng lượng của tia X đặc<br /> trư n g bằng hiệu n ăn g lượng liên kết của hai vành electron trong<br /> nguyên tử, do đó Ĩ1 Ó đặc trưng cho từng nguyên tô' Người ta ví năng<br /> lượng của tia X đặc trưng là “dấu vân tay” của nguyên tô' hoá học nên<br /> có th ể cản cứ vào đó để xây dựng một phương pháp p hân tích nguyên<br /> tố gọi là phương p h áp phân tích huỳnh quang tia X. Ngày nay phương<br /> <br /> 49<br /> <br /> p háp n ày đã trơ th à n h một công cụ p h ân tích m ạnh đối với t ấ t cả các<br /> nguyên tỏ từ nhỏm (Al) tới u ra n i (U) trong b àn g tu ầ n hoàn, đ áp ứng<br /> yêu cầu của n h iề u linh vực nghiên cứu và ứng dụng.<br /> Đê tiến h à n h p h â n tích cần đo n ă n g lượng và cường độ của các<br /> tia X đặc trưng. T rong thực t ế có th ể đo p hân giải bước sóng (WD)<br /> hoặc đo p h â n giải n ă n g lượng (ED) của tia X. Bước sóng của tia X có<br /> th ể đo bằng phương pháp n hiễu xạ 4ựa vào định lu ậ t Bragg:<br /> nẤ = 2ds\x\6<br /> <br /> (2.1)<br /> <br /> trong đó: n là sô nguyên<br /> Ả là bước sóng<br /> d là k h o ản g cách giữa hai lớp nguyên tử<br /> ế? là góc tạo bởi tia X và m ặ t p h ẳn g tinh thể.<br /> Vì khoáng cách cl cố định ứng với mỗi loại tin h thể nên giá trị cực<br /> đại của Á đo được là 2d. N hư vậy, nếu m uôn do giải sóng rộng phải sử<br /> dụn g nhiều loại tin h ihể khác nh au. Đây là một trong nhữ ng h ạ n chê<br /> của phương p h áp đo p h ân giải bước sóng. Trong khi đó phương pháp<br /> đo p h ân giải n ă n g lượng tia X sử dụn g đetectơ bán dẫn Si(Li) vận<br /> h àn h đơn giản, k ế t quả chính xác và một đetectơ có thể đo đồng thòi<br /> nhiều tia X đặc tr ư n g cho nhiều nguyên tố. Chính vì vậy m à ngày nay<br /> phương p háp p h â n giải n ă n g lượng dược sử dụ ng rấ t phổ biến.<br /> N ăng lượng tia X đặc trư n g cho v ành K của các n guyên tố trải<br /> rộng từ vài koV tới k hoảng 100 keV còn các tia X đặc trư n g của vành<br /> L thì cực đại ỏ k h o ản g 20 keV. Trong ứng d ụ n g thực tiễn p h â n tích<br /> nguyên tô thường đo các tia X có n ăn g lượng từ vài keV tới vài chục<br /> keV. Đôi với n h iề u nguyên tô' thì các tia X vành K luôn luôn là sự ưu<br /> tiên lựa chọn.<br /> Đê kích thích các nguyên tô" p h á t tia X đặc trưng có th ế sử dụng<br /> tia X, tia g a m m a mềm, các hạt m an g điện hoặc các chùm ion. Trường<br /> hợp sử d ụ n g các chùm h ạ t m ang điện đê kích thích nguyên tô' phát<br /> tia X đặc trư ng, đặc biệt là sử dụ ng chùm proton còn gọi là phương<br /> pháp PIXE (Proton Induced X -ra y Emission). Ngày nay các máy gia<br /> tốc sincrotron (Synchrotron) còn cung cấp một nguồn photon mói, đó<br /> là bức xạ sincrotron với m ậ t độ thông lượng r ấ t lớn, có th ế sử dụng<br /> n h ư m ột nguồn kích thích tia X siêu m ạ n h và cho độ n h ạy p h â n tích<br /> cao hơn nhiều so với sử d ụ n g các nguồn kích thích tia X khác.<br /> P hương p h á p phân tích h uỳ n h q u an g tia X đã được triể n khai<br /> rộng rãi trong n h iều lĩnh vực nghiên cứu và ứng (lụng vì nỏ có độ<br /> <br /> 50<br /> <br /> nhạy và độ chính xác cao, có k h ả n ăn g phân tích đồng thời nhiều<br /> nguyên tô và mẫu p h á n tích không bị phá huỷ. Nhờ tốc* (ỉộ n h a n h nên<br /> phương pháp p h â n tích huỳnh q u an g tia X còn cỏ thô ứng d ụ n g dể<br /> kiêm tra hoặc điếu chính cấc quá trình nghiên cứu và sàn suất.<br /> Nhìn chung th iế t l)ị p hân tích huỳnh q u an g tia X tương đôi gọn<br /> nhọ, bô" trí thí nghiệm không phức tạ p n ên có th ể tiến h à n h p h â n tích<br /> mầu ỏ trong phòng th í nghiệm hay cả ở ngoài hiện trường.<br /> <br /> 2.2 Cơ c h ế p h á t x ạ t i a X<br /> 2.2.1 Phổ tia X<br /> ố n g phóng tia X (hình 2.1) là loại nguồn tia X có sớm n h ấ t. Cấu<br /> tạo của ống phóng tia X gồm một buồng ch ân không (áp s u ấ t k h o ản g<br /> 10 r đến 10 * mmHg) và hai diện cực (anốt và catôt). C hù m electron<br /> ><br /> phát ra từ ca tốt (khi bị dốt nóng) sẽ được gia tốc bởi điện trư ờn g ở<br /> trong buồng chan không và khi đập vào an ô t (hay còn gọi là bia) sẽ<br /> phát ra tia X.<br /> <br /> Hỉnh 2.1<br /> Cảu tạo của ống phóng tia X<br /> 1. Buồng chân không; 2. Catốt; 3. Anốt<br /> <br /> Phố tia X p h á t ra từ ông phóng tia X n h ư trê n h ình 2.2 và 2.3 bao<br /> gồm hai phần chính. P h ầ n th ứ n h ấ t có bước sóng th a y đổi liên tục nên<br /> gọi là phổ liên tục h a y phố hãm . P h ần th ứ hai có bước sóng g ián đoạn<br /> nôn gọi là phổ vạch hay phổ tia X đặc trưng. Các đỉnh phổ tia X đặc<br /> õl<br /> <br /> trưng nằm trên nền phổ liên tục nhìn giông như “các đỉnh th á p xây<br /> trên một sườn đồi”.<br /> <br /> Bước sóng Á<br /> <br /> Bước s óng Ẩ<br /> <br /> Hình 2.2<br /> <br /> Hinh 2.3<br /> <br /> Phổ phát xạ tia X của w (Z=74) được<br /> bắn bằng chùm electron gia tốc với điện<br /> thế khảc nhau.<br /> <br /> Phổ phát xạ tia X của w (Z=74) và<br /> Mo (Z=42) được bắn bằng chùm<br /> electron với điện thế gia tốc 35 kv<br /> <br /> 2.2.2 Cơ c h ế p h á t bức xạ h ả m<br /> Theo điện dộng lực học cố điển, các h ạ t m ang diện dược gia tốc<br /> hoặc làm chậm đểu p h á t ra bức xạ điện từ. Khi các h ạ t m ang điện<br /> tương tác với nguyên tử (hạt nhân của nguyên tử) và bị hãm đột ngột<br /> sẽ p h á t ra bức xạ gọi là bức xạ hàm. Thực c h ấ t của quá trìn h này là<br /> động n ăng của electron đà được giải phóng dưới dạn g tia X. T rong ông<br /> tia X, khi các electron đập vào bia thi tốc độ của chúng thay đổi liên<br /> tục trong trường Culông của các nguyên tử bia, hay nói cách khác là<br /> năng lượng của electron bị m ất dần, do đó các tia X p h á t ra có bước<br /> sóng thay đổi liên tục trong một giải rộng. Q uá trìn h tương tác và<br /> phát tia X (bức xạ hăm) được minh hoạ trên h ìn h 2.4.<br /> Chùm electron được gia tốc có động năng cực dại là:<br /> T = eV<br /> trong đó: e là điện tích của electron,<br /> V là điện th ế gia tốc (tính bằng kV).<br /> <br /> 52<br /> <br /> (2.2)<br /> <br /> Khi toàn bộ động năng' của electron biên th à n h bức xạ hãm thì<br /> nàng lượng cực đại của chùm bức xạ hãm sẽ là:<br /> (2.3)<br /> <br /> h 1n n = T = e V = /ic/A,nm<br /> »*<br /> trong đó: h là h ằn g sô Plank,<br /> r l à tần sô"của bức xạ hàm ,<br /> c là vận tốc án h sáng.<br /> T ừ (2.3) suy ra ẢiìU hay còn gọi là giới hạn lượng tử (Ả):<br /> U<br /> <br /> ;<br /> <br /> h<br /> L<br /> <br /> (2.4)<br /> <br /> 12 398<br /> \ v ~ F (k V )<br /> hv,<br /> <br /> hv2<br /> <br /> Hĩnh 2. 4<br /> Quá trinh làm chậm electron trong trường culong của hạt nhản và phát bức xạ<br /> hãm vởi năng lương h »; = E0-E, trong đó E0 là nàng lượng ban đầu của<br /> electron và E, là năng lượng của electron sau khi bị làm chậm và đổi hướng<br /> <br /> Cưòng độ của bức xạ hãm tỳ lệ nghịch với bình phương khỏi<br /> lượng cùa h ạ t m ang điện tích bắn vào bia (hạt tới). Do dó cường độ<br /> bức xạ hãm tạo bởi các h ạ t nặng như proton sẽ yếu hờn so vối trường<br /> họp tạo bởi các h ạ t n h ẹ n h ư electron.<br /> M ặ t khác, cường độ của bức xạ hãm tỷ lệ với bình phương điện<br /> tích củ a h ạ t n h ân bia. Do đó muôn tăng cường độ bức xạ hãm cần sử<br /> dụng các nguyên t ố nặng, có nhiệt độ nóng chảy cao và có khả năng<br /> tru y ền n h iệ t tốt để làm bia n hư vonfram (W) hoặc tan tali (Ta).<br /> Sự th a y dổi điện th ê gia tốc đồng nghĩa vỏi sự thay đổi động năng<br /> của chùm electron tới và do đó củng làm thay đoi năng lượng cực đại<br /> 53<br /> <br />