quang học tia x - Vật lí - Lê Thị Thúy Ngân - Thư viện Bài giảng điện tử

PowerPoint Presentation TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TPHCM KHOA VẬT LÝ Lớp CN Lý 4 Nhóm 7 NHIỄU XẠ TIA X BỞI CÁC TINH THỂ Lê Thị Thúy Ngân NỘI DUNG Tổng quan về tia X Tinh thể Nhiễu xạ tia X Phương pháp phân tích tinh thể Ứng dụng Ngày 8 tháng 11 năm 1895 W C Rơntgen đã làm thí nghiệm khi cho tia catot của ống phóng điện trong chất khí đập vào anot thì từ anot phát ra một tia lạ mà mắt thường không nhìn thấy được, nhưng khi cho tác dụng lên chất huỳnh quang thì chất này lại phát sáng nên mắt thường nh[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TPHCM

KHOA VẬT LÝ Lớp CN Lý 4 Nhóm 7

NHIỄU XẠ TIA X BỞI CÁC TINH THỂ

Lê Thị Thúy Ngân

N I DUNG : ỘI DUNG :

• Ngày 8 tháng 11 năm 1895 W.C.Rơntgen đã làm thí nghiệm khi cho tia catot của ống phóng điện trong chất khí đập vào anot thì

từ anot phát ra một tia lạ mà mắt thường không nhìn thấy được, nhưng khi cho tác dụng lên chất huỳnh quang thì chất này lại phát sáng nên mắt thường nhìn thấy được Ông đặt tên cho tia này là tia X ( với chữ X có nghĩa là chưa biết )

I Tổng quan về tia X

1 Qúa trình hình thành nhiễu xạ tia X bởi tinh thể :

• Vào thời điểm này người ta thấy tia X là có khả năng đâm xuyên rất lớn và bức ảnh đầu tiên thể hiện khả năng này là bức ảnh

chụp xương bằng tia X cho thấy rõ có đốt ngón tay

Năm 1901 Ông được trao giải Nobel vật lý đầu tiên vì đã khám phá

ra tia X

Năm 1901 Ông được trao giải Nobel vật lý đầu tiên vì đã khám phá

ra tia X

I Tổng quan về tia X

1 Qúa trình hình thành nhiễu xạ tia X bởi tinh thể :

Wilhelm Conrad Roentgen

(1845–1923) Wilhelm Conrad Roentgen

(1845–1923)

• Lúc này ngành tinh thể học đã bắt đầu phát triển, người ta đã biết được hình thái học của tinh thể.

• Trong quá trình làm thí nghiệm khi chiếu tia X vào tinh thể Laue đã quan sát được hiện tượng nhiễu xạ Ông cho rằng tia

X là sóng và có bước sóng rất ngắn

• Đây được coi là một phát hiện quan trọng nhất ở lĩnh vực tinh thể học, bởi vì từ đây người ta có thể xác định được vị trí của các nguyên tử trong tinh thể

1 Qúa trình hình thành nhiễu xạ tia X bởi tinh thể :

I Tổng quan về tia X

• Nhờ việc khám phá ra nhiễu xạ tia X bởi tinh thể mà năm 1914 Max Von Laue được trao giải Nobel vật lý.

1 Qúa trình hình thành nhiễu xạ tia X bởi tinh thể :

• Sau đó, hai cha con nhà Bragg đã tìm ra cách tính toán đơn giản hơn bằng cách giả thiết rằng mỗi mặt phẳng nguyên tử phản xạ sóng tới độc lập như phản xạ gương (sẽ tìm hiểu kỹ hơn ở phần sau )

1 Qúa trình hình thành nhiễu xạ tia X bởi tinh thể :

I Tổng quan về tia X

Nhờ việc dùng tia X để xác định cấu

trúc tinh thể mà năm 1915 hai cha con

nhà Bragg đã được trao giải Nobel vật

lý

Nhờ việc dùng tia X để xác định cấu

trúc tinh thể mà năm 1915 hai cha con

nhà Bragg đã được trao giải Nobel vật

lý

William Henry Bragg

William Henry Bragg

William Lawrence Bragg

William Lawrence Bragg

• Là một dạng của sóng điện từ.

• Có bước sóng trong khoảng từ 0,01 đến 10 nm

• Có 2 loại: tia X cứng và tia X mềm

• Khả năng xuyên thấu lớn

• Gây ra hiện tượng phát quang ở một số chất

Hãm đột ngột điện tử năng lượng cao hay dịch chuyển điện

tử từ quỹ đạo cao xuống quỹ đạo thấp trong nguyên tử

Ứng dụng nhiều trong y học và phân tích cấu trúc tinh thể

2 Tia X là gì ?

I Tổng quan về tia X

 Tia X được phát ra khi các electron hoặc các hạt mang điện khác

bị hãm bởi một vật chắn và xuất hiện trong quá trình tương tác giữa bức xạ γ với vật chất

 Thông thường để tạo ra tia X người ta sử dụng electron

3 Cách tạo tia X :

I Tổng quan về tia X

• Tùy thuộc vào mức năng lượng bắt đầu bước chuyển (từ lớp vỏ L hay M) ta ký hiệu các vạch K(anpha) hay Kβ Các bước chuyển từ mức năng lượng cao hơn về lớp vỏ L, tạo thành các vạch L (L(anpha)

chuyển từ mức M hay Lβ chuyển từ lớp vỏ N)…

3 Cách tạo tia X :

I Tổng quan về tia X

Trong đó :

me: khối lượng tĩnh của electron

e0: điện tích của electron

F: điện tích hạt nhân hiệu dụng tác dụng lên electron và F = Z – σ, σ là hệ

me: khối lượng tĩnh của electron

e0: điện tích của electron

F: điện tích hạt nhân hiệu dụng tác dụng lên electron và F = Z – σ, σ là hệ

3 Cách tạo tia X :

I Tổng quan về tia X

II.Tinh thể :

1 Cấu trúc tinh thể

 Tinh thể là sự sắp xếp tuần hoàn trong không gian của các

nguyên tử hoặc phân tử

II.Tinh thể :

2 Chỉ số Miller

nút : hkl chiều : [hkl]

mặt : (hkl)

 Một họ mặt song song và cách đều nhau được biểu thị bằng các

chỉ số Miller như nhau

Chỉ số Miller được xác định như sau:

- Chọn một mặt phẳng không đi qua gốc tọa độ (0,0,0)

- Xác định các tọa độ giao điểm của mặt phẳng với các trục x, y và

z của ô đơn vị

- Tọa độ giao điểm đó sẽ là các phân số

- Lấy nghịch đảo các tọa độ giao điểm này

- Quy đồng các phân số này và xác định tập nguyên nhỏ nhất của các tử số

II.Tinh thể :

2 Chỉ số Miller

 Họ mặt có chỉ số Miller càng nhỏ có khoảng cách giữa hai mặt

kế nhau càng lớn và có mật độ các nút mạng càng lớn

II.Tinh thể :

3 Mạng đảo

 Mặt phẳng trong không gian thực có thể biểu diễn bằng một nút

mạng trong không gian đảo

 Mỗi nút mạng đảo tương ứng với một mặt (hkl) của tinh thể

• Vectơ là các vectơ đơn vị tinh thể

• Vectơ là các vectơ đơn vị của ô cơ bản trong mạng

đảo

{ 𝒂 𝒂 ∗=𝒃 𝒃 ∗=𝒄 ∗=𝟏

´

𝒂 ∗ ⃗ 𝒃= ´𝒃 ∗ ⃗ 𝒄= ´𝒄 ∗ ⃗ 𝒂=𝟎

III Nhiễu xạ tia X :

1 Hiện tượng

1 Hiện tượng

 Nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia X nhiễu xạ

trên các mặt tinh thể của chất rắn do tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ

 Chiếu lên tinh thể một chùm tia X, mỗi nút mạng trở

thành tâm nhiễu xạ và mạng tinh thể đóng vai trò như cách tử nhiễu xạ

III Nhiễu xạ tia X :

2 Định luật Vulf – Bragg

 Định luật Bragg giả thiết

 Phương trình này biểu thị mối quan hệ giữa góc các tia nhiễu xạ

θ và bước sóng tia tới λ, khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử d

2 dhkl sin

III Nhiễu xạ tia X :

3 Cường độ nhiễu xạ

 Nhiễu xạ bởi điện tử tự do:

 Nhiễu xạ bởi nguyên tử: 𝑓 = 𝐵𝑖ê𝑛 độ𝑠 ó𝑛𝑔𝑡 á𝑛 𝑥ạ𝑏 ở 𝑖𝑚 ộ𝑡 𝑛𝑔𝑢𝑦ê 𝑛𝑡 ử

𝐵𝑖ê 𝑛độ𝑠 ó𝑛𝑔 𝑡 á𝑛 𝑥ạ 𝑏ở 𝑖𝑚 ộ𝑡 đ 𝑖ệ 𝑛𝑡 ử

Thừa số tán xạ nguyên tử f mô tả hiệu suất tán xạ trên một hướng

riêng biệt

 Nhiễu xạ bởi ô mạng cơ bản:

Với ψg là hàm sóng của chùm nhiễu xạ,

Fg là thừa số cấu trúc (hay còn gọi là xác suất phản xạ tia X)

IV.Phương pháp phân tích tinh thể

1 Nhiễu xạ đơn tinh thể

a Phương pháp ảnh Laue:

 Giữ nguyên góc tới θ và thay

đổi bước sóng λ để thỏa mãn

điều kiện nhiễu xạ Bragg

 Chùm tia X liên tục được

chiếu lên mẫu đơn tinh thể và

tia nhiễu xạ được ghi nhận

bởi các vết nhiễu xạ trên

phim

IV.Phương pháp phân tích tinh thể

1 Nhiễu xạ đơn tinh thể

a Phương pháp ảnh Laue:

 Trên ảnh Laue ta thấy các vết

nhiễu xạ phân bố theo các

đường cong dạng elip,

parabol hay hyperbol đi qua

tâm ảnh

 Các đường cong này gọi là

các đường vùng bởi mỗi

đường cong đó chứa các vết

nhiễu xạ của các mặt thuộc

một vùng mặt phẳng trong

tinh thể

IV.Phương pháp phân tích tinh thể

1 Nhiễu xạ đơn tinh thể

IV.Phương pháp phân tích tinh thể

1 Nhiễu xạ đơn tinh thể

Xác định hướng của

các trục tinh thể và

tính đối xứng của các

đơn tinh thể

Do khoảng bước sóng rộng nên với một

họ mặt công thức Bragg được thỏa mãn với những bước sóng khác nhau ở các bậc khác nhau

Một vết trong ảnh nhiễu xạ Laue có thể là sự chồng chập của các tia nhiễu xạ ở các bậc khác nhau gây trở ngại cho việc phân tích dựa trên độ đen của vết

a Phương pháp ảnh Laue:

IV.Phương pháp phân tích tinh thể

1 Nhiễu xạ đơn tinh thể

b Phương pháp đơn tinh thể quay:

 Giữ nguyên bước sóng λ và thay đổi góc

tới θ

 Phim được đặt vào mặt trong của buồng

hình trụ cố định, đơn tinh thể được gắn

trên thanh quay đồng trục với buồng

 Tất cả các mặt nguyên tử song song với

trục quay sẽ tạo nên các vết nhiễu xạ

trong mặt phẳng nằm ngang

 Phổ nhiễu xạ sẽ là sự phụ thuộc của cường

độ nhiễu xạ vào góc quay 2θ

IV.Phương pháp phân tích tinh thể

1 Nhiễu xạ đơn tinh thể

b Phương pháp đơn tinh thể quay:

Phổ của NaCl với catot là Cu

- Chùm tia X đơn sắc tới sẽ bị nhiễu xạ trên 1 họ mặt nguyên

tử của tinh thể với khoảng cách giữa các mặt là d khi trong

quá trình quay xuất hiện những giá trị thỏa mãn điều kiện

Bragg

Thường thì không quay tinh thể 3600 mà chỉ dao động trong 1 giới hạn góc nào đó, nhờ vậy mà số vết nhiễu xạ có thể chập vào nhau sẽ giảm đi nhiều

- Tất cả các mặt nguyên tử song song với trục quay sẽ tạo nên các vết nhiễu xạ trong mặt phẳng nằm ngang

Kết quả :

b Phương pháp đơn tinh thể quay

Kết luận:

IV.Phương pháp phân tích tinh thể

2 Nhiễu xạ đa tinh thể ( phương pháp nhiễu xạ bột )

2 Nhiễu xạ đa tinh thể ( phương pháp nhiễu xạ bột )

- Sử dụng với các mẫu là đa tinh thể

- Sử dụng một

chùm tia X song

song hẹp, đơn sắc,

chiếu vào mẫu

- Quay mẫu và quay đầu thu chùm nhiễu xạ trên đường tròn đồng tâm

Phổ nhiễu xạ sẽ là sự phụ thuộc của cường độ nhiễu xạ vào

2 lần góc nhiễu xạ (2θ)

- Đối với các mẫu màng mỏng, cách thức thực hiện

có một chút khác, người ta chiếu tia X tới dưới góc rất hẹp (để tăng chiều dài tia

X tương tác với màng mỏng, giữ cố định mẫu và chỉ quay đầu thu

Phương pháp nhiễu xạ bột cho phép xác định thành phần pha, tỷ phần pha, cấu trúc tinh thể (các tham số mạng tinh thể) và rất dễ thực hiện

V Ứng dụng :

 Thường được dùng trong chụp ảnh y tế, nghiên cứu tinh thể,

 Máy nhiễu xạ tia X dùng để phân tích cấu trúc tinh thể rất nhanh

chóng và chính xác, ứng dụng nhiều trong việc phân tích các mẫu chất, sử dụng trong nghiên cứu, trong công nghiệp vật liệu, trong ngành vật lí, hóa học và trong các lĩnh vực khác

 Tuy nhiên tia X có khả năng gây ion hóa hoặc các phản ứng có

thể nguy hiểm cho sức khỏe con người, do đó bước sóng, cường

độ và thời gian chụp ảnh y tế luôn được điều chỉnh cẩn thận để tránh tác hại cho sức khỏe