Vật lý - Tía X

Phần 2 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. )eV(E 28,0 Tia X : l(A0) = Với chùm neutron l(A0) = Với chùm electron l(A0) = )( , keVE 412 )( , eVE 280 )(eVE 12 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 ) Nơtron Tính chất của tia X Tia X là sóng điện từ với bước sóng l vào khoảng vài Ao (= 0,1 nm), nằm giữa bước sóng của tia g và ánh sáng tử ngoại. m Tia X Tia X được sinh ra khi một hạt tích điện ( thường là electron ) với năng lượng đủ lớn bị hãm đột ngột. Thiết bị phát tia X gồàm có sợi đốt phát xạ electron. Các electron này được gia tốc trong điện trường cao đến đập vào bia kim loại ( đóng vai trò anôt ). Hệ phát tia X có anod cố định Máy có giá không cao • * Cường độ thấp • * Phổ trắng và vạch • * Bộ phận đơn sắc hóa Oáng tia X hoạt động với thế hiệu điển hình 30 kV có thể gia tốc electron đến vận tốc chừng 1/ 3 vận tốc ánh sáng . Phổ tia X có dạng phổ liên tục trên đó có 1 số đỉnh khi electron được gia tốc đủ lớn: Sự phụ thuộc của phổ tia X của Mo vào thế hiệu. Phổ tia X Bước sóng (A) C ư ờ n g đ ộ t ia X ( đ vị t ư ơ n g đ ố i) Bức xạ liên tục Bức xạ Đặc trưng Các phổ ứng với thế hiệu đến 20 kV chỉ chứa bức xạ liên tục hay trắng. Cường độ bằng 0 cho đến một bước sóng tối thiểu nào đó, lmin , tăng nhanh đến cực đại và giảm dần về phía bước sóng l dài. Phổ này phản ánh sự bức xạ từ các electron bị chậm dần khi chúng đập vào bia . Một hạt mang điện chuyển động có gia tốc phát ra sóng điện từ. Khi sự gia tốc đủ lớn, bức xạ phát ra có bước sóng ngắn nằm trong vùng tia X. Phổ tia X liên tục Bước sóng (A) C ư ờ n g đ ộ ti a X ( đ vị t ư ơ n g đ ố i) Bức xạ liên tục Bức xạ Đặc trưng lmin Một số electron bị hãm khá đột ngột ( các electron đập vào hạt nhân hoặc bay ngang rất gần chúng ) phần lớn năng lượng của chúng được chuyển thành photon có năng lượng cao . Các electron khác lướt qua các nguyên tử của bia và giảm tốc độ từ từ, bức xạ ra các photon có năng lượng thấp hơn. This image cannot currently be displayed. Phổ tia X liên tục Với đơn vị thường được dùng trong thực tế : trong đó V là thế hiệu gia tốc các electron . Giới hạn bước sóng ngắn được quy định bởi các electron dừng lại sau một lần va chạm, khi đó toàn bộ năng lượng của chúng được chuyển đổi thành năng lượng photon : min hcmv eV l  2 2 Phổ tia X liên tục VeV hc A o 12400 )(minl Cường độ của bức xạ trắng, Iwh , phụ thuộc vào thế hiệu V, dòng i chạy qua ống tia X và nguyên tử số Z của bia : A là một hằng số và m ~ 2. Aûnh hưởng của dòng i (mA), thế gia tốc V (keV) và nguyên tử số Z của bia lên phổ liên tục. Phổ tia X liên tục Bước sóng (l) C ư ờ n g đ ộ t ư ơ n g đ ối Các đỉnh trên phổ tia X được gọi là các vạch đặc trưng , tạo nên phổ đặc trưng của vật liệu làm bia. Với molybdenum, chúng chỉ xuất hiện khi V > 20 kV. Khi V tăng, cường độ của các vạch tăng nhưng vị trí của chúng không thay đổi. Phổ đặc trưng Bước sóng (A) C ư ờ ng đ ộ ti a X ( đ vị t ư ơ n g đ ối ) Bức xạ liên tục Bức xạ Đặc trưng Phổ Mo ở 35 kV Phổ đặc trưng Các vạch đặc trưng được sinh ra khi một electron bị bắn ra khỏi các quỹ đạo trong của nguyên tử trong bia. Các electron ở quỹ đạo ngoài chuyển xuống các quỹ đạo trong và bức xạ photon đặc trưng có năng lượng bằng hiệu năng lượng của các quỹ đạo đầu và cuối: Phổ đặc trưng Số lượng tử chính n Ký hiệu Các vạch Ka và Kb xuất hiện khi một chỗ trống trên lớp vỏ K được lấp đầy bởi 1 electron từ các lớp vỏ L và M. Thuận lợi hơn chỗ trống được lấp đầy bởi electron từ lớp vỏ L, nên đỉnh Ka lớn hơn. Nguyên nhân không xuất hiện các vạch đặc trưng khi điện áp gia tốc nhỏ là các electron đến không có đủ năng lượng để đẩy electron ra khỏi nguyên tử của bia. Khi động năng của các electron bắn phá đủ để ion hóa các nguyên tử thì quan sát được các vạch đặc trưng. Điện áp gia tốc càng lớn thì cường độ của các vạch càng mạnh. Phổ đặc trưng Cấu trúc tinh tế của các vạch đặc trưng Dl = +1 Dj = 0 , +1 Phổ đặc trưng Mo : Ở 30 kV, các vạch K có cường độ ~90 lần cường độ của bức xạ trắng ở bước sóng lân cận. Độ rộng của vạch ~0,001 Ao ở vị trí có cường độ cực đại bằng ½. Cu : Phổ bức xạ của Cu với thế gia tốc 10 keV và 20 keV . Ở 10 keV, chỉ có các vạch L khá mạnh (Kab = 8.98 keV) (theo Kevex Corporation 1983). Phổ Mo ở 35 kV Năng lượng (keV) S ố đ ếm S ố đế m C ư ờ ng đ ộ l Phổ vạch gồm một số nhóm đường ( dãy ). Các dãy đó có bước sóng và điều kiện tạo thành khác nhau. Với các yếu tố nặng có các dãy K, L, M và N. Mỗi dãy gồm một số vạch có bước sóng xác định. Dãy K có bước sóng ngắn nhất còn dãy N có bước sóng dài nhất. Ví dụ, với tungsten (W) có các dãy : K với bước sóng 0,178 - 0,213 A0 L với bước sóng 1,025 - 1,675 A0 M với bước sóng 6,066 - 6,973 A0 . Phổ đặc trưng  Moãi daõy xuaát hieän chæ khi theá hieäu gia toác vöôït qua moät giaù trò tôùi haïn Ukt naøo ñoù, ñöôïc goïi laø theá hieäu kích thích :  Taát caû caùc vaïch cuûa daõy K xuaát hieän ñoàng thôøi khi V  UK.  Daõy L xuaát hieän vôùi 3 giaù trò cuûa theá hieäu kích thích UL.I , UL.II vaø UL.III.  Daõy M coù 5 giaù trò cuûa theá kích thích .  Daõy N coù 7 giaù trò cuûa theá kích thích . Phổ đặc trưng Thế kích thích của các dãy sắp xếp theo thứ tự sau UN < UM < UL < UK Với W : UM = 2,81 kV ; UL = 12,1 kV và UK = 69,3 kV. Al Cr Fe Cu Mo W U Z 13 24 26 29 42 74 92 UK (kV) 1.55 5,98 7,10 8,86 20,0 69,3 115 Thế kích thích của một dãy nào đó tăng theo nguyên tử số của vật liệu làm a-nôt. Sự phụ thuộc của thế kích thích UK dãy K vào nguyên tử số Z của các nguyên tố. Phổ đặc trưng  Phoå böùc xaï ñaëc tröng cuûa caùc nguyeân toá khaùc nhau gioáng nhau veà caáu truùc. Ñeå phaân tích caáu truùc baèng tia X, ngöôøi ta thöôøng duøng daõy Kù coù 4 vaïch 1, 2, 1 vaø 2. Böôùc soùng cuûa caùc vaïch naøy saép xeáp theo thöù töï l2 > l1 > l1 > l2 Tyû soá cöôøng ñoä cuûa caùc vaïch ñoù cho taát caû caùc nguyeân toá gaàn nhö nhau vaø baèng I1 : I2 : I1 : I2 = 100 : 50 : 20 : 4 Phổ đặc trưng Bước sóng (Ao) của các vạch đặc trưng của các nguyên tố Phổ đặc trưng  Cöôøng ñoä I cuûa phoå ñaëc tröng taêng khi theá hieäu V ñaët leân oáng vaø cöôøng ñoä doøng ñieän i qua oáng taêng. Thöïc nghieäm cho heä thöùc I = k i ( U - Ukt ) n trong ñoù Ukt laø theá kích thích cuûa daõy, n = 1,5 vôùi daõy K vaø n = 2 vôùi daõy L. Khi taêng theá hieäu treân oáng rôn-ghen, cuøng vôùi söï taêng cöôøng ñoä cuûa caùc vaïch, cöôøng ñoä cuûa phoå lieân tuïc cuõng taêng leân. Vì vaäy, trong thöïc teá khi phaân tích caáu truùc, ñeå traùnh neàn lôùn treân caùc phim tia X, ngöôøi ta duøng theá laøm vieäc khoâng vöôït quaù ( 3,5  4,0 ) Ukt . Phổ đặc trưng Định luật Moseley : hệ thức giữa tầàn số n của các vạch đặc trưng và nguyên tử số Z C và s là các hằng số. Hệ thức Moseley giữa và Z cho 2 vạch đặc trưng Phổ đặc trưng . Định luật Moseley  Dãy K : Dãy L : l ( A )  Định luật Moseley Với các kim loại nặng (W), bước sóng của vạch L có thể nhỏ bằng l của vạch K trong kim loại nhẹ (ví dụ Cu) Hệ thức Moseley giữa bước sóng và nguyên tử số cho các vạnh Ka1, La1 và Ma1 (theo Goldstein et al. 1981). Al Cr Fe Cu Mo W U Z 13 24 26 29 42 74 92 Nguyên tử số (Z) B ư ớ c só n g l (A ) Ka1 La1 Cường độ I của chùm tia X giảm theo hàm mũ e khi nó đi quãng đường x xuyên qua vật chất: I0 là cường độ ban đầu của chùm tia X m là hệ số hấp thụ dài, tỷ lệ với khối lượng riêng r của vật liệu , phụ thuộc mạnh vào bước sóng. Sự phụ thuộc vào bước sóng của năng lượng photon tia X và của hệ số hấp thụ khối của Ni. Sự hấp thụ tia X N ăn g lư ợ ng p ho to n (e rg ) Nang lượng tới hạn Wk để bứt electron vành K Bờ hấp thụ Bờ K Bờ L Bờ M Hấp thụ tia X giải phóng e Giải phóng e thứ hai Thế năng EK - EL Động năng (EK-EL)-EL Sự gián đoạn đột ngột được gọi là bờ hấp thụ. Ở hai bên bờ hấp thụ, đường cong tuân theo phương trình dạng : Phương trình này cho thấy bức xạ với bước sóng ngắn có độ xuyên sâu lớn và được gọi là tia X cứng. Các tia có bước sóng dài được gọi là tia mềm. Sự hấp thụ của tia X khá mạnh : gần ½ cường độ tới bị hấp thụ khi xuyên qua lớp dày 25 mm tính từ mặt ngoài của một kim loại như Cu. Sự hấp thụ tia X )/( 2 gcm   Khi tia X được dùng để phân tích cấu trúc của tinh thể thuận lợi hơn là dùng bức xạ gần đơn sắc, đặc biệt chỉ dùng vạch Ka Dạng của đường hấp thụ trên hình sau cho phép loại trừ bước sóng không mong muốn. Sự hấp thụ tia X )/( 2 gcm   Có thể chọn vật liệu có bờ hấp thụ nằm giữa các vạch Ka và Kb của bia và do đó có thể làm giảm đáng kể cường độ tương đối của các vạch đó. Sự hấp thụ tia X Phổ hấp thụ của Ni và phổ tia X của Cu Cụ thể : Nếu tỷ số ban đầu Kb / Ka ~1/ 9 , có thể giảm tỷ số đó xuống ~1/ 500 trong khi chỉ làm giảm ½ cường độ của vạch Ka Phổ bức xạ của Cu ( a ) và (b ) phổ sau khi đi qua tấm lọc Ni. Đường chấm chấm là hệ số hấp thụ khối của Ni H ệ số h ấp t h ụ kh ố i (a) Không lọc (b) lọc Ni  Tia X ion hoùa caùc chaát khí vaø laøm huyønh quang nhieàu chaát.  Khi chuøm tia X tôùi coù lK < lK cuûa chaát ñöôïc chieáu xaï seõ coù hieän töôïng huyønh quang. Ví duï : neáu doïi böùc xaï CuK (l = 1,5418 A o ) vaøo Ni ( coù lK = 1,497 A o ) thì Ni khoâng böùc xaï huyønh quang nhöng neáu doïi vaøo Co ( coù lK = 1,6207 A o ) thì seõ coù böùc xaï huyønh quang coäng höôûng kyù sinh. Fe, Mn, Cr, V cuõng böùc xaï huyønh quang khi doïi böùc xaï CuK .  Khi coù huyønh quang seõ xuaát hieän phoâng maïnh neân ñeå nghieân cöùu vaät lieäu saét ta khoâng neân duøng böùc xaï tia X cuûa Cu ñeå chuïp phim maø duøng böùc xaï tia CoK ( l = 1,7902 A o ) hoaëc FeK (l = 1,7565 A o) . Tác dụng ion hóa và huỳnh quang của tia X Hết phần 2 Tiếp theo : Sự nhiễu xạ tia X bởi tinh thể chất rắn • Chúng tôi đã dịch được một số chương của một số khóa học thuộc chương trình học liệu mở của hai trường đại học nổi tiếng thế giới MIT và Yale. • Chi tiết xin xem tại: • •