tìm hiểu về kính hiển vi điện tử truyền qua

CHỮ VIẾT TẮT EM Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử TEM Tranmission Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua HRTEM High-Resolution Tranmission Electron Microscopy Kính h

CẦN THƠ 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

TÌM HIỂU VỀ KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA

Luận văn tốt nghiệp Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – TIN HỌC

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

ThS Lê Văn Nhạn Trương Hoa Thiên

Mã số SV: 1117565 Lớp: Sư phạm Vật lý – Tin học Khóa: 37

Từ những ngày đầu nhận đề tài “Tìm hiểu về kính hiển vi hiện tử truyền qua” em không tránh khỏi những lo lắng và bỡ ngỡ Cũng nhờ sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình của thầy Lê văn Nhạn về kiến thức chuyên môn, kết hợp với sự động viên và trấn an của thầy, gia đình và bạn bè, tất cả đều là động lực để bản thân em cố gắng phấn đấu hoàn thành đề tài đúng thời hạn

Nhân đây, em xin gửi lời cám ơn đến quý thầy, cô trong Bộ môn Vật lý trường Đại học Cần Thơ Quý thầy, cô đã không ngần ngại dành thời gian của mình để giải đáp thắc mắc cũng như tìm hiểu nguyện vọng của sinh viên chúng em Quý thầy, cô là những người đã cho em kiến thức giúp em có đầy đủ cơ sở để hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp của mình, quý thầy, cô cũng là những người truyền cho em cảm hứng, khiến em cảm thấy thích thú hơn với môn học và ngành nghề của mình, sự nghiêm khắt của quý thầy, cô đã giúp em rút kinh nghiệm cho bản thân và nghiêm túc hơn trong quá trình học tập, nghiên cứu

Mặc dù đã có cố gắng trong quá trình tìm hiểu, phân tích và viết đề tài nhưng do hạn chế về mặt thời gian và kiến thức nên đề tài của em khó tránh khỏi những sơ suất Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy, cô và các bạn để em có cơ hội mở mang kiến thức, đồng thời củng cố cho đề tài của em có thể hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Cần Thơ, ngày 08/10/2014

Trương Hoa Thiên

MỤC LỤC

HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG

BẢNG CHỮ VIẾT TẮT VÀ TRA CỨU THUẬT NGỮ

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1

3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 2

4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯONG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 2

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 2

PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỀ TÀI 3

1 QUANG HỌC 3

1.1 Sơ lược về bản chất của ánh sáng 3

1.1.1 Lý thuyết hạt ánh sáng 3

1.1.2 Lý thuyết sóng ánh sáng của Huygens 3

1.1.3 Lý thuyết điện từ của Maxwell 3

1.1.4 Lý thuyết tương đối của Einstein 3

1.1.5 Lý thuyết lượng tử ánh sáng 4

1.2 Các hiện tượng quang học 4

1.2.1 Định luật truyền thẳng ánh sáng 4

1.2.2 Sự phản xạ và khúc xạ 4

1.2.3 Sự phân cực ánh sáng 5

1.2.4 Nhiễu xạ 6

1.3 Thấu kính mỏng 6

2 CƠ HỌC LƯỢNG TỬ 7

3 CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐIỆN TÍCH TRONG ĐIỆN TRƯỜNG VÀ TỪ TRƯỜNG 8

3.1 Chuyển động của điện tích trong điện trường và từ trường 8

3.2 Chuyển động của điện tích trong từ trường đều 9

3.3 Sự lệch của hạt trong điện trường và từ trường 11

3.3.1 Trong điện trường 11

3.3.2 Trong từ trường 13

3.4 Chuyển động của electron trong nguyên tử đặt vào từ trường ngoài 14

3.5 Chuyển động tiến động của electron 15

4 VẬN TỐC VÀ BƯỚC SÓNG CỦA ELECTRON 17

5 CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN 18

5.1 Đường đặc trưng Vôn - Ampe 18

5.2 Định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa 18 5.3 Định luật về vận tốc ban đầu cực đại

5.4 Định luật về giới hạn đỏ của hiệu ứng

quang điện 19

6 NHIỄU XẠ ĐIỆN TỬ 21

6.1 Khái niệm 21

6.2 Các loại nhiễu xạ 21

6.2.1 Nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng 21

6.2.2 Nhiễu xạ chùm điện tử hội tụ 22

6.2.3 Nhiễu xạ điện tử năng lượng thấp – năng lượng cao 22

7 TÁN XẠ 22

CHƯƠNG 2: SƠ LƯỢC CÁC DỤNG CỤ QUANG HỌC 24

1 KÍNH LÚP 24

1.1 Lịch sử hình thành 24

1.2 Cấu tạo và ứng dụng 24

1.2.1 Cấu tạo 24

1.2.2 Ứng dụng 24

1.2.3 Hạn chế 25

2 KÍNH HIỂN VI QUANG HỌC 25

2.1 Lịch sử hình thành 25

2.2 Cấu tạo và ứng dụng 26

2.2.1 Cấu tạo 26

2.2.2 Ứng dụng 27

2.2.3 Hạn chế 28

CHƯƠNG 3: KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA 29

1 LỊCH SỬ PHÁT MINH 30

2 CẤU TẠO CHI TIẾT 31

2.1 Hệ thống chiếu sáng 31

2.1.1 Súng phát xạ điện tử 32

2.1.2 Thấu kính hội tụ 33

2.2 Hệ thống thao tác mẫu 34

2.2.1 Buồng khóa không khí 34

2.2.2 Buồng mẫu 34

2.3 Hệ thống tạo ảnh 35

2.3.1 Thấu kính vật 35

2.3.2 Thanh chống chất bẩn 37

2.3.3 Thấu kính trung gian 37

2.3.4 Thấu kính chiếu 37

2.4 Hệ thống quan sát và chụp ảnh 37

2.5 Hệ thống chân không 38

2.5.1 Các phương pháp đo chân không 39

2.5.2 Các loại bơm chân không thường dùng 41

3 VẬN HÀNH VÀ SỬ DỤNG KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA 43

3.1.2 Chuẩn thẳng hàng thấu kính tạo ảnh 47

3.1.3 Những điều chỉnh khác 48

3.2 Kiểm tra các đặc trưng của TEM 49

3.3 Các kiểu vận hành kính hiển vi điện tử truyền qua 49

3.3.1 Hoạt động với độ tương phản cao 50

3.3.2 Vận hành với độ phân giải cao 51

3.3.3 Vận hành kiểu ảnh trường tối 52

3.3.4 Vận hành ở kiểu tạo ảnh nhiễu xạ 53

4 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA TEM TRONG Y VÀ SINH HỌC 54

4.1 Mẫu nghiên cứu 54

4.1.1 Mẫu virus 54

4.1.2 Mẫu vi khuẩn 54

4.1.3 Mẫu mô sinh vật 54

4.1.4 Sử dụng những mô đã đúc trong parafin cho nghiên cứu hiển vi điện tử 55

4.2 Chẩn đoán nhanh bằng TEM 55

5 TÌNH HÌNH VỀ KHOA HỌC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HIỂN VI ĐIỆN TỬ Ở VIỆT NAM HIỆN NAY 55

6 MỘT SỐ HÌNH ẢNH THU ĐƯỢC QUA TEM/HRTEM 56

PHẦN 3: KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Độ dài mét M Độ dài quãng đường mà ánh sáng đi được

trong chân không trong 1/299.792.458 giây (1983) [1]

Khối lượng Kilogam Kg Chuẩn gốc một hình trụ bằng platin-iriđi nào

đó, được lấy làm đơn vị khối lường từ đó tới nay 1889) [1]

Thời gian Giây S Khoảng thời gian bằng 9.19.109 chu kỳ của

bức xạ tương ứng với dịch chuyển giữa hai mức siêu tinh tế của trạng thái cơ bản của nguyên tử xêđi 133 (1967) [1]

Cường độ dòng

điện

Ampe A Dòng điện không đổi mà nếu được duy trì

trong hai dây dẫn thẳng, song song, dài vô hạn, tiết diện không đáng kể, đặt cách nhau 1 met trong chân không sẽ gây ra trong dây dẫn này một lực bằng 2x10-7(N) trên 1 met độ dài (1946)[1]

Cường độ sáng Candela Cd Cường độ phát sáng theo phương vuông góc

của một diện tích 1/600.000 met vuông của một vật đen ở nhiệt độ đông đặc của platin dưới áp suất 101,325 Newton trên một met vuông (1967) [1]

2 CÁC ĐƠN VỊ DẪN XUẤT

Ký hiệu đơn vị

BẢNG THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 CHỮ VIẾT TẮT

EM Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử

TEM Tranmission Electron

Microscopy

Kính hiển vi điện tử truyền qua

HRTEM High-Resolution Tranmission

Electron Microscopy

Kính hiển vi điện tử truyền qua với độ phân giải cao

SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét

SAED Selected Area Electron

Diffraction

Nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng

SAA Selected Area Aperture Khẩu độ lựa chọn vùng

CBED Convergent Beam Electron

Diffraction

Nhiễu xạ chùm điện tử hội tụ

STEM Scanning Tramission Electron

Microscopy

Kính hiển vi điện tử truyền qua quét

LEED Low Electron Energy Diffraction Nhiễu xạ điện tử năng lượng thấp HEED High Electron Energy

phát ra ánh sáng nhìn thấy được khi bắn phá bằng các tia phóng xạ iôn, như tia X

Công nghệ nano Là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân

tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet

Virus Còn gọi là siêu vi, siêu vi khuẩn hay siêu vi trùng, là

một tác nhân truyền nhiễm chỉ nhân lên được khi ở bên trong tế bào sống của một sinh vật khác

Loạn thị Là một tật về mắt liên quan đến khúc xạ Ở mắt bình

thường, các tia hình ảnh sau khi đi qua giác mạc thì được hội tụ ở một điểm trên võng mạc Nhưng ở mắt loạn thị, các tia hình ảnh lại được hội tụ ở nhiều điểm

nhòe, không rõ Quang sai Trong các thiết bị quang học nói chung dẫn tới sự làm

mờ (nhòe) hình ảnh Nó xảy ra khi ánh sáng từ một điểm của vật thể sau khi truyền qua hệ các thiết bị quang học chiếu tới các điểm khác nhau

Khẩu độ Thường được sử dụng trong các loại máy móc (hay kết

cấu) kỹ thuật để chỉ độ mở của kết cấu Chân không Là một khu vực có áp suất thấp hơn áp suất khí quyển

khá nhiều.Các nhà vật lý thường thảo luận về những kết quả kiểm tra của những ý tưởng có thể xảy ra trong môi trường chân không hoàn hảo,với họ thỉnh thoảng gọi là

“chân không” hoặc là không gian trống

Parafin Là một hỗn hợp có nhiều hydrocarbua từ dầu

hỏa, parafin dùng trong điều trị là loại tinh khiết, trung tính, màu trắng, không độc Khi sử dụng thường pha thêm một ít dầu parafin để tăng cường độ dẻo, không bị giòn gãy

Virion Các phần tử virus hay còn gọi là hạt virus

Huyết thanh Những chất có độ pH giống như máu được gọi là huyết

thanh

Huyết thanh học Ngành khoa học nghiên cứu huyết thanh

Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, nhu cầu của con người ngày một nâng cao Ban đầu, với ước mơ quan sát được những vật thể có kích thước vi

mô mà mắt thường khó nhìn thấy rõ, đầu tiên con người đã chế tạo ra kính lúp Đây là một quang cụ sử dụng thấu kính hội tụ trong việc khuếch đại hình ảnh và thường được dùng để phục vụ trong việc quan sát các kí tự hay các vật thể nhỏ hoặc được dùng trong các thí nghiệm khoa học đơn giản trong phạm vi trường học Ưu điểm của kính lúp là gọn, nhẹ, dễ sử dụng nhưng không đủ để mở rộng trong việc phóng đại những vật thể có kích thước vi mô mà mắt thường không nhìn thấy được như tế bào, biểu bì, Vì thế, một phát minh mới được ra đời nhằm thay thế và bổ sung những mặt hạn chế của kính lúp, đó

là kính hiển vi mà đầu tiên là kính hiển vi quang học

Kính hiển vi quang học cũng là một quang cụ sử dụng ánh sáng chiếu qua vật tạo ra các hình ảnh phóng đại của vật thể đó thông qua các thấu kính quang học Do sử dụng ánh sáng khả kiến nên độ phân giải của kính hiển vi quang học bị giới hạn bởi bước sóng nên việc quan sát các vật thể vi mô bị hạn chế Như vậy, để có thể quan sát được các vật thể và cấu trúc có kích thước nhỏ hơn, phải có những thiết bị sử dụng các chùm tia có bước sóng ngắn hơn nữa Chính vì lý do đó, kết hợp với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật của thế kỉ XX, con người đã tìm tòi và sáng tạo ra kính hiển vi điện tử Từ khi kính hiển

vi điển tử xuất hiện, nó đã trở thành thiết bị vô cùng quan trọng để nghiên cứu cấu trúc và

vi cấu trúc của vật chất và được ứng dụng phổ biến trung các lĩnh vực khoa học vật liệu, vật lý chất rắn, hóa học, công nghệ,… đặc biệt là trong hai lĩnh vực: y học và sinh học

Có thể nói kính hiển vi điện tử thể hiện được tầm quan trọng rõ nhất trong hai lĩnh vực này

Với tinh thần học hỏi, mong muốn được khám phá, vận dụng và nâng cao những kiến thức Vật lý đã học để tìm hiểu kính hiển vi điện tử cũng như vai trò của nó trong hai lĩnh vực nói trên Tuy nhiên, kính hiển vi điện tử được phân loại tương đối đa dạng, khối lượng thông tin khổng lồ và thiếu sự cô đọng nên tôi quyết định chọn ra một trong số đó

để làm nên đề tài “Tìm hiểu ứng dụng kính hiển vi điện tử truyền qua” cho luận văn tốt nghiệp của tôi Tôi tin rằng đề tài này không chỉ giúp tôi mở mang kiến thức chuyên môn Vật lý trong quá trình tìm hiểu nguyên lý hoạt động của nó mà còn tìm hiểu thêm được những kiến thức trong lĩnh vực y-sinh học thông qua phần ứng dụng thực tiễn

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài này được xây dựng nhằm trả lời ba câu hỏi “Sự ra đời của kính hiển vi điện tử truyền qua có vai trò gì trong bước tiến khoa học kỹ thuật?”, “Kính hiển vi điện tử truyền qua hoạt động dựa trên những cơ sở nào của Vật lý?” và “Ứng dụng của kính hiển vi điện

3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Kính hiển vi điện tử truyền qua được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học

và đời sống Việc đi sâu nghiên cứu đề tài cần rất nhiều thời gian và công sức Bên cạnh

đó, do mức độ quan trọng của thiết bị, tôi không thể nghiên cứu thực nghiệm Do đó tôi không có cơ hội tìm hiểu trực quan từng bộ phận của thiết bị cũng như không thể thành thạo trong thao tác vận dụng Vì những hạn chế trên, đề tài của tôi chỉ dừng lại ở mức độ tìm hiểu mang tính lý thuyết

4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Phương pháp:

- Tổng hợp tài liệu, chọn lọc và hệ thống hóa thông tin thu được

- Trao đổi kiến thức, kỹ năng với cán bộ phụ trách thiết bị (nếu có cơ hội) để quan sát trực quan để có thêm tư liệu cho đề tài

- Phương tiện: nguồn sách, báo về kiến thức Vật lý, luận văn của các sinh viên khóa trước, các tài liệu từ Internet,…

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

- Nhận đề tài

- Tìm hiểu sơ lược để có cái nhìn tổng quan về đề tài từ đó định hướng nghiên cứu

- Tiến hành viết đề cương chi tiết

- Tiếp thu ý kiến cán bộ hướng dẫn để hoàn thiện đề tài

- Nộp đề tài cho cán bộ hướng dẫn và cán bộ phản biện

- Báo cáo

Từ sơ khai, con người cũng đã bắt đầu tìm hiểu tính chất của ánh sáng, các tri thức về ánh sáng đã được tích lũy để rồi các quy luật, định luật, thuyết về ánh sáng được ra đời và ngày một hoàn thiện như ngày nay [5]

1.1.1 Lý thuyết hạt ánh sáng

Lý thuyết hạt ánh sáng được Isaac Newton đưa ra, cho rằng dòng ánh sáng là dòng di chuyển của các hạt vật chất Lý thuyết này giải thích cho hiện tượng phản xạ và một số tính chất khác của ánh sáng, tuy nhiên không giải thích được những hiện tượng như giao thoa, nhiễu xạ mang tính chất sóng

1.1.2 Lý thuyết sóng ánh sáng của Huygens

Lý thuyết sóng được Christian Huygens đưa ra, cho rằng dòng ánh sáng là sự lan truyền của sóng Lý thuyết này giải thích được nhiều hiện tượng mang tính chất sóng của ánh sáng như giao thoa, nhiễu xạ, đồng thời giải thích tốt hiện tượng khúc xạ và phản xạ

1.1.3 Lý thuyết điện từ của Maxwell

Sau khi hai lý thuyết trên được ra đời, lý thuyết điện từ của James Clerk Maxwell năm

1865 khẳng định lại lần nữa tính chất sóng của ánh sáng Đặc biệt, lý thuyết này kết nối các hiện tượng quang học với các hiện tượng điện từ học, cho thấy ảnh sáng chỉ là một trường hợp riêng của sóng điện từ

Các thí nghiệm sau này về sóng điện từ như của Heinrich Rudolf Hertz năm 1887 đều khẳng định tính chính xác của thuyết Maxwell

1.1.4 Thuyết tương đối của Einstein

Thuyết tương đối của Albert Einstein ra đời năm 1905 với mục đích ban đầu là giải thích hiện tượng vận tốc ánh sáng không phụ thuộc hệ quy chiếu và sự không tồn tại của môi trường ether, bằng các thay đổi ràng buộc của cơ học cổ điển

Trong thuyết tương đối hẹp, các tiên đề cảu cơ học được thay đổi để đảm bảo thông qua các phép biến đổi hệ quy chiếu, vận tốc ánh sáng luôn là hằng số Lý thuyết này đã

lý thuyết tương đối rộng, trong đó giải thích chuyển động của ánh sáng nói riêng và vật chất nói chung trong không gian bị bóp méo bởi vật chất

1.1.5 Lý thuyết lượng tử ánh sáng

Lý thuyết lượng tử ánh sáng nói riêng và vật chất nói chung ra đời khi các thí nghiệm

về bức xạ vật đen được giải thích bởi Max Planck và hiệu ứng quang điện được giải thích bởi Einstein đều cần dùng đến giả thuyết rằng ánh sáng là dòng chuyển động của các hạt riêng lẻ, gọi chung là quang tử (photon)

Vì tính chất hạt và tính chất sóng cùng được quan sát ở ánh sáng, và cho mọi hạt vật chất nói chung, lý thuyết lượng tử đi đến kết luận về lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng và vật chất; đúc kết ở công thức De Broglie (1924), liên hệ giữa động lượng một hạt và bước sóng của nó

1.2 Các hiện tượng quang học

1.2.1 Định luật truyền thẳng của ánh sáng

Trong một môi trường trong suốt và đồng tính, ánh sáng truyền đi theo đường thẳng

1.2.2 Sự phản xạ và khúc xạ

Định luật khúc xạ ánh sáng

Khúc xạ là hiện tượng chùm tia sáng bị đổi phương đột ngột khi đi qua mặt phân cách hai môi trường Hệ hai môi trường truyền sáng phân cách bằng mặt phẳng được gọi là lưỡng chất phẳng Mặt phân cách hai môi trường là mặt lưỡng chất

Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới

sin 𝑖

sin 𝑟 = 𝑛21

n21 là một hằng số, phụ thuộc vào bản chất

của hai môi trường truyền ánh sáng được gọi là

chiết suất tỉ đối của môi trường (2) đối với môi

trường (1) Nếu đổi chiều truyền của ánh sáng

theo chiều ngược lại ta sẽ được 𝑠𝑖𝑛𝑟

𝑠𝑖𝑛𝑖 = 𝑛12 Từ

đó ta thu được hệ thức 𝑛21 = 1

𝑛 12Nếu có một môi trường là chân không thì khi

đó được gọi là chiết suất tuyệt đối của môi

trường còn lại, đôi khi người ta còn gọi đó là

chiết suất môi trường Mối lien hệ giữa chiết suất tuyệt đối và chiết suất tỉ đối được mô tả qua biểu thức 𝑛21 =𝑛2

𝑛 1 Biểu thức của định luật khúc xạ sẽ là

sin 𝑖sin 𝑟 = 𝑛21 =

𝑛2

𝑛1

Ở hình 1.1 cho thấy tia sáng tại mặt phân cách bị chặn lại Một phần bị phản xạ lại, phần còn lại bị khúc xạ

1.2.3 Sự phân cực của ánh sáng

Ánh sáng mặt trời và hầu như mọi dạng nguồn chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo khác đều tạo ra sóng ánh sáng

có vector điện trường dao động trong mọi mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng Nếu như vector điện trường hạn chế dao động trong một mặt phẳng bởi sự lọc chùm tia với những chất liệu đặc biệt thì ánh sáng được xem là phân cực phẳng, hay phân cực thẳng đối với hướng truyền, và tất cả sóng dao động trong một mặt phẳng được gọi là mặt phẳng phân cực

Khi xét sự tác động của ánh sáng không phân cực lên một bề mặt cách điện phẳng, có một góc duy nhất mà tại đó sóng ánh sáng phản xạ bị phân cực hoàn toàn vào một mặt phẳng Góc này gọi là góc Brewster 𝑖 = arctan𝑛2

𝑛 1

màn E xuất hiện nhiều vân

nhỏ sáng tối nằm xen kẽ nhau Đặc biệt tại C có thể sáng hay tối, tùy theo kích thước lỗ tròn và khoảng cách từ màn quan sát đến lỗ tròn

Thí nghiệm trên đây chứng tỏ rằng khi đi qua lỗ tròn các tia sáng đã bị lệch khỏi phương truyền thẳng Hiện tượng tia sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng khi đi đến các chướng ngại vật được gọi là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng

1.3 Thấu kính mỏng

Thấu kính là một vật trong suốt với

hai mặt khúc xạ mà trục của chúng trùng

nhau Trục chung ấy là trục chính của

thấu kính Khi một thấu kính được không

khí bao bọc, ánh sáng khúc xạ từ không

khí vào thấu kính và sau đó khúc xạ trở

lại vào không khí Nếu như các tia sáng

lúc đầu song song với trục chính của

thấu kính và thấu kính làm cho các tia này hội tụ lại là thấu kính hội tụ, ngược lại thấu kính làm cho cá tia phân kì là thấu kính phân kì.[1]

Ở đây chúng ta xét một trường hợp của thấu kính mỏng, đó là thấu kính mà độ dày của

nó so với khoảng cách vật, khoảng cách ảnh và kể cả hai bán kính cong của thấu kính là không đáng kể Với loại thấu kính như vậy, các đại lượng trên sẽ liên hệ với nhau theo công thức

1

𝑑+

1𝑑′ =

1

𝑓 Trong đó tiêu cự f của thấu kính được xác định bởi công thức

1

𝑓 = 𝑛 − 1 (

1

𝑟1 −1

𝑟2)

Trong đó r1 và r2 lần lượt là bán kính cong của thấu kính

thuyết này ánh sáng cấu tạo bởi các

hạt photon mang năng lượng W =

Nếu dao động sáng tại O là acos2πvt (trong đó v là tần số dao động sáng) thì biểu thức của dao động sáng tại mọi điểm trên mặt sóng đi qua M, cách mặt sóng đi qua O một đoạn d, có dạng:

𝑎𝑐𝑜𝑠2𝜋𝑣 𝑡 −𝑑

𝑐 = 𝑎𝑐𝑜𝑠2𝜋(𝑣𝑡 −

𝑑

𝜆) Với c là vận tốc truyền ánh sáng trong chân không, λ = 𝑐

𝑣 là bước sóng của ánh sáng Nhưng vì OM = r, do đó d = rcosα = 𝑟 𝑛 trong đó 𝑛 là vector pháp tuyến đơn vị nằm theo phương truyền sóng ánh sáng

Như vậy, biểu thức dao đông ở trên có thể viết dưới dạng

𝑎𝑐𝑜𝑠2𝜋(𝑣𝑡 −𝑟 𝑛

𝜆 )Biểu thức này là biểu thức dao động sáng tại mọi điểm trên cùng mặt sóng đi qua M, cho nên người ta gọi nó là biểu thức của sóng phẳng của ánh sáng đơn sắc hay hàm sóng phẳng đơn sắc Trong phép biểu diễn phức, hàm này có dạng:

𝑟

𝑛

Khi biểu thị v và λ qua W và p tương ứng, ta có

𝜓 = 𝑎𝑒𝑥𝑝[−𝑖

𝑕 𝑊𝑡 − 𝑝 𝑟 ]Với 𝑕 = 𝑕

2𝜋 = 1,05.10-34 (J.s) Người ta còn đưa ra khái niệm vector sóng 𝑘 Đó là môt vector nằm theo phường chiều truyền sóng và có trị số k = 2𝜋

𝜆

Khi đó ta có: 𝑝 = ℏ 𝑘 và hàm sóng phẳng đơn sắc có thể viết

𝜓 = 𝑎𝑒𝑥𝑝[−𝑖 𝜔𝑡 − 𝑘 𝑟 ]

* Giả thuyết De Broglie:

Một vi hạt tự do có năng lượng xác định, động lượng xác định tương ứng với một sóng phẳng đơn sắc xác định:

a) Năng lượng của vi hạt liên hệ với tần số dao động của sóng tương ứng theo hệ thức W = hv hay W = hω

b) Động lượng 𝑝 của vi hạt liên hệ với bước sóng λ của sóng tương ứng theo hệ thức

𝑑𝑡 ta thu được biểu thức cuối cùng là 𝑑

𝑑𝑡

𝑚𝑣2

2 + 𝑒𝜑 = 0 Vậy 𝑚𝑣

2

2 + 𝑒𝜑 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 (2) Phương trình trên diễn tả định luật bảo toàn năng lượng đối với chuyển động của hạt Số hạng thứ nhất là động năng của hạt, số hạng thứ hai là thế năng tương tác giữa hạt điện trường

Xét một điện tích e chuyển động trong tĩnh điện đều 𝐸 Chọn trục Oy theo phương 𝐸

và giả sử t = 0, điện tích nằm tại gốc tọa độ O có vận tốc đầu 𝑣 và nằm trong mặt phẳng 0

Oxy (điện thế chỉ chuyển động trong Oxy) Chiếu phương trình (1) xuống các trục x, y ta được

3.2 Chuyển động của điện tích trong từ trường đều

𝐵 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 , 𝐸 =0, 𝑣 vuông góc với 𝐵

Lực tác dụng lên điện tích

𝐹 = 𝑒 𝑣 ∧ 𝐵 Phương: thẳng góc với mặt phẳng

𝑣 , 𝐵

Chiều: sao cho (𝑣 , 𝐵 , 𝐹 ) tạo thành tam

diện thuận khi e > 0

Độ lớn: F = evBsinα = evB

Phương trình chuyển động 𝑚.𝑑𝑣 𝑑𝑡 = 𝑒 𝑣 ∧ 𝐵 (6) Nhân hai vế với 𝑣 , ta có:

𝑑 𝑑𝑡

𝑚 𝑣2

2 = 0 hay 𝑚 𝑣22 = const, v2 = const

Vậy từ trường không làm thay đổi động năng và độ lớn vận tốc của hạt

Xét một điện tích e chuyển động trong 𝐵 không đổi và chọn trục Oz theo phương 𝐵 Chiếu (6) lên các trục tọa độ ta có: 𝑥 =𝑒𝐵𝑚 𝑦 (7)

Đặt ω0 = 𝑒𝐵

𝑚 , nhân (8) với số ảo i và cộng từng vế với (7), ta được:

Hay 𝑑

𝑑𝑡 𝑥 + 𝑖𝑦 = −𝑖𝜔0(𝑥 + 𝑖𝑦 ) Do đó (𝑥 + 𝑖𝑦 ) = a.exp(−𝑖𝜔0𝑡) trong đó a là một hằng số phức

𝑚 và pha ban đầu bằng α Khử t khỏi (12) và (13) ta có phương trình quỹ đạo trên Oxy

Trong trường hợp hai hạt mang điện giống nhau có v khác nhau chuyển động thắng góc với 𝐵 và cùng xuất phát từ một

điểm M thì sau khi chuyển động

v0 = vn = vcosα Như vậy chuyển động tổng hợp của hạt là đường xoắn ốc hình trụ có trục song song với 𝐵

Bước xoắn l = vnT = vcosα.2𝜋𝑒

𝑚𝐵

Như vậy nếu vận tốc của hạt không có thành phần song song với từ trường (vz = 0), nó chỉ chuyển động tròn trên mặt phẳng vuông góc với trường Nếu vận tốc có thành phần song song với trường (vz ≠ 0), ngoài chuyển động nói trên, hạt còn tịnh tiến theo phương của trường với vận tốc không đổi vz = const Quỹ đạo của hạt là một đường xoắn ốc trên một mặt trụ có bán kính R = 𝑣0

𝜔0 = 𝑣0 𝑚

𝑒𝐵 và trục song song với phương của trường

3.3 Sự lệch của hạt trong điện trường và từ trường

3.3.1 Trong điện trường (𝐸 ≠ 0, 𝐵 = 0)

Giả sử hạt mang điện e > 0, khối lượg m chuyển động với vận tốc 𝑣 trong điện trường 0đều (hướng từ dưới lên) của một tụ điện Tụ điện có chiều dài l1 Sau đó hạt chuyển động

tự do một đoạn l2 rồi tới màn Chọn Ez = Ex = 0; Ey = E

Phương trình chuyển động của hạt 𝑚𝑑𝑣

𝑑𝑡 = e𝐸 Trên Ox: 𝑚𝑑𝑣 𝑑𝑡 = eEx = 0 => vx = v0 Hạt chuyển động đều theo quán tính trên phương Ox:

x = v0t

Trên Oy: 𝑚𝑑𝑣 𝑑𝑡 = 𝑒𝐸 => vy = 𝑒𝐸

𝑚 𝑡 + 𝑣0𝑦 =𝑒𝐸𝑚 𝑡 Hạt chuyển động nhanh dần đều theo phương Oy: y = 𝑣𝑦𝑑𝑡 = 1

1𝑥 = 𝑣𝑣1𝑦

0

Sau khi ra khỏi tụ hạt tiếp tục chuyển động theo quán tính: x = v0t ; y = v1yt

Khi đến màn x = l2 => t = t2 = l2/v0

Giả sử hạt mang điện tích e > 0

khối lượng m chuyển độc với vật tốc

𝑣0

theo phương Ox trong từ trường

cảm ứng từ 𝐵 đều hướng từ ngoài vào

(𝐵 ⊥ 𝑣 ), bề rộng vùng có từ trường 0

là l1, sau đó hạt chuyển động tự do

một đoạn l2 rồi đập vào màn

Lực tác dụng lên hạt mang điện

Hạt mang điện chuyển động đều theo phương Ox: x = v0t

Trên Oy: 𝑚𝑑𝑣𝑑𝑡𝑦 = fy = evB => vy = 𝑒

𝑚𝑣𝑜𝐵 𝑡 Hạt chuyển động nhanh dần đều theo phương Oy: y = 1

𝑚 𝐵 𝑙1

𝑣0 (17)

Từ (16) và (17) ta được phương trình: 𝑦 = 𝑡𝑎𝑛𝛼(𝑙1

2 + 𝑙2)

3.4 Chuyển động của electron trong nguyên tử đặt vào từ trường ngoài

Ảnh hưởng của từ trường ngoài lên dao động và bức xạ nguyên tử

Xét nguyên tử đơn giản gồm hạt nhân và một electron có khối lượng bằng m Theo thuyết cổ điển, nguyên tử bức xạ được coi như một dao động tử điều hòa: điện tích âm dao động xung quanh điện tích dương đặt ở gốc tọa độ Gọi 𝑟 là bán kính vector của electron, phương trình dao động của nó có dạng:𝑟 = 𝑟 𝑐𝑜𝑠𝜔0 0𝑡 = 𝑟 𝑒𝑥𝑝 𝑖𝜔0 0𝑡 trong đó

𝜔0là tần số dao động của electron, và cũng chính là tần số bức xạ Có thể coi như electron dao động dưới tác dụng của một lực đàn hồi 𝐹 : 𝐹 = −𝑚𝜔02𝑟

Phương trình chuyển động của electron là: 𝑚𝑟 = −𝑚𝜔02𝑟 (18)

Ở đây ta không xét đến lực hãm vì nó không làm ảnh hưởng đến tần số bức xạ Đặt nguyên tử vào từ trường ngoài không đổi 𝐵 Bây giờ ngoài lực đàn hồi 𝐹 , electron còn chịu thêm lực Lorentz của từ trường: 𝐹 = −𝑒𝑚 0[𝑟 , 𝐵 ]

Trong đó , e0 là độ lớn điện tích electron (e0 > 0) Phương trình chuyển động bây giờ là:

Như vậy từ trường ngoài không ảnh hưởng gì đến dao động của electron theo phương của trục z Theo phương song song của từ trường ngoài, nguyên tử vẫn bức xạ với tần số

ω0 như khi chưa có từ trường ngoài

Ta sẽ tìm nghiệm của x và y dưới dạng: x = x0.exp(iωt) ; y = y0.exp(iωt)

Thay các nghiệm này vào phương trình (20) và (21) ta được:

Vì ω phải dương nên ω = ω0 + ωL

Vậy, ta có: x = x0.exp i(ω0 + ωL)t ; y = y0.exp i(ω0 + ωL)t

Vậy theo những phương vuông góc với từ trường ngoài, nguyên tử bức xạ theo hai tần số

ω1 = ω0 + ωL và ω2 = ω0 - ωL

Khoảng cách giữa hai vạch bức xạ là: ∆𝜔 = 2𝜔𝐿 = 𝑒0 𝐵

𝑚

Hiện tượng trên gọi là hiệu ứng Zeeman và tần số ωL được gọi là tần số Larmor

3.5 Chuyển động tiến động của electron

Xét một nguyên tử đơn giản gồm hạt nhân ở gốc tọa độ và một electron quay quanh hạt nhân với vận tốc dài bằng 𝑣 Momen xung lượng của electron 𝐿 = 𝑚 𝑟 , 𝑣 (23)

Momen từ của electron là: 𝑀 = 12 𝑟 , 𝑑𝑟 = 12 [𝑟 , 𝑣 ]𝜌𝑑𝑉

Ở đây ta đã thay Id𝑟 bằng 𝑣 ρdV và ρ có giá trị âm

Trong nguyên tử chỉ có một electron nên không có dòng điện chảy liên tục Vì thế cường độ dòng điện I là một lượng lấy trung bình theo thời gian Do đó, ρ và [𝑟 , 𝑣 ] cũng

là những đại lượng đã trung bình hóa Chúng không phụ thuộc tọa độ và có thể đưa ra ngoài dấu tích phân Do đó: 𝑀 = 1

2[𝑟 , 𝑣 ]𝜌 𝑑𝑉 = −𝑒0

2 [𝑟 , 𝑣 ] (24)

So sánh phương trình (23) với (24) ta có: 𝑀 = −2𝑒0

𝑚 𝐿 Vậy momen xung lượng và momen từ của electron là hai vector cùng giá và ngược chiều

Nếu nguyên tử có nhiều electron, mỗi electron đề có momen xung lượng và momen từ bằng 𝐿 và 𝑀𝑖 Khi đó momen xung lượng và momen từ của toàn bộ nguyên tử là: 𝑖

trùng phương với 𝐵 Momen tác dụng lực lên nguyên tử

là: 𝑁 = [𝑀 , 𝐵 ]

Vì nguyên tử có momen xung lượng nên nó sẽ chuyển

động tiến động như một con quay hồi phục

Phương trình chuyển động của con quay hồi phục này là:

𝑑𝐿

𝑑𝑡 = 𝑁 = 𝑀 , 𝐵 = −𝑒0

2𝑚 𝐿 , 𝐵 = 𝑒0 𝐵

2𝑚 𝐿 = [𝜔 , 𝐿 ] 𝐿 (25)

Trong đó 𝜔 𝐿 là một vector cùng phương và chiều với

từ trường 𝐵 và có độ lớn bằng tần số Larmor 𝜔𝐿 = 𝑒0 𝐵

2𝑚

Biết rằng phương trình chuyển động của một vật rắn

quay quanh một trục cố định với vận tốc góc 𝜔 là

𝑑𝑟

𝑑𝑡 = [𝜔 , 𝑟 ] (26)

So sánh phương trình (25) với (26), ta thấy vector 𝐿 quay quanh phương của từ trường với vận tốc bằng tần số Larmor Như vậy, quỹ đạo cũ của electron (khi chưa có từ trường ngoài) quay quanh trục Oz với vận tốc góc bằng ωL

Như vậy, khi đặt nguyên tử vào từ trường ngoài, mỗi electron của nó sẽ tham gia đồng thời vào hai chuyển động: chuyển động quanh hạt nhân với vận tốc góc bằng ω0 và chuyển động quanh phương của từ trường với vận tốc góc bằng ωL Chuyển động như vậy gọi là sự tiến động Larmor của electron Tất cả các electron đều tiến động với cùng một vận tốc góc là ωL và theo cùng một chiều

Khi chiếu chuyển động của electron xuống trục z, ta thấy electron vẫn dao động với tần số ω0 như khi chưa có từ trường Khi chiếu chuyển động của electron xuống mặt Oxy,

ta thấy tần số quay của electron bị thay đổi khác trước một lượng bằng ωL Tần số ωL này cộng vào hoặc trừ đi với tần số của dao động cũ ω0 của electron tùy theo chiều quay cũ của electron là trùng hoặc trái chiều quay tiến động Sự tiến động Larmor của các electron chính là nguyên nhân gây ra hiệu ứng Zeeman được đề cập ở phần trước

4 VẬN TỐC VÀ BƯỚC SÓNG CỦA ELECTRON

Electron có khối lượng m chuyển động với vận tốc v thì có bước sóng 𝜆 = 𝑕

𝑚𝑣 (27) Electron có vận tốc đầu v0 = 0 chuyển động dưới tác dụng của điện trường có hiệu điện thế V thì có động năng là

Từ bảng kết quả trên, ta thấy ở trường hợp V = 1 000 000 V thì v > c Phải chăng tiên

đề “vận tốc ánh sáng trong chân không là lớn nhất” gặp vấn đề? Điều này được giải thích Theo thuyết tương đối, đối với những vật chuyển động với vận tốc so sánh được với vận tốc ánh sáng thì khối lượng không phải là bất biến mà nó thay đổi một lượng đáng kể theo công thức: 𝑚 = 𝑚0

1−𝑣2𝑐2

Trong đó, m0 là khối lượng nghỉ (khối lượng của vật ở trạng thái đứng yên)

Ta tìm được giữa mối quan hệ của λ và V : 𝜆 = 1.23

𝑉+10 −6 𝑉 2 (mm)

Nếu xét thêm hiệu ứng tương đối thì ở trường hợp V = 1 000 000 V, λ = 0.00123nm, v

= 2.823.1010 cm/s Khi đó v/c = 0.941 Như vậy tiên đề “vận tốc ánh sáng trong chân không là lớn nhất” vẫn đúng

5 CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN[5]

5.1 Đường đặc trưng vôn – ampe

Khi rọi vào catốt một chùm sáng đơn sắc thích hợp có cường độ không đổi, trong mạch xuất hiện dòng quang điện Bấy giờ nếu ta thay đổi hiệu điện thế giữa anốt và catốt thì cường độ dòng quang điện trong mạch cũng thay đổi theo Sự thay đổi cường độ dòng quang điện theo hiệu điện thế UAK được biểu diễn bằng một đường cong mà ta gọi là đường đặc trưng vôn – ampe

Iqđ = f (U)

Hình 1.13 cho thấy rằng khi ta tăng UAK thì cường độ dòng quang điện tăng theo

 Uh < UAK < U0 thì Iqđ thay đổi theo UAK

5.2 Định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa

“Cường độ của dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ chùm ánh sáng chiếu vào catốt”

Điều nay cho thấy rằng cường độ dòng quang điện bão hòa lại liên quan và được xác định bởi số electron bứt ra khỏi catốt trong một đơn vị thời gian, cho nên ta có thể phát biểu định luật này theo cách thứ hai như sau: “Số electron bứt ra khỏi catốt trong một đơn

vị thời gian tỉ lệ với cường độ của chùm ánh sáng chiếu vào catốt.”

5.3 Định luật về vận tốc ban đầu cực đại của quang electron (Động năng)

Từ đường đặc trưng Vôn – Ampe ở hình 1.13 cho thấy khi UAK = 0 thì Iqđ ≠ 0 điều này chứng tỏ các electron quang điện có một vận tốc ban đầu tương ứng với một động năng

đủ lớn để có thể dịch chuyển về anốt tạo ra dòng quang điện trong trường hợp UAK < 0 tức là trong bình chân không giữa anốt và catốt có một điện trường cản Điện trường cản

này đủ sức để ngăn cản không cho một electron nào dịch chuyển về anốt khi hiệu điện thế UAK = Uh

Từ đó vận tốc ban đầu cực đại của quang electron có thể được xác định qua biểu thức sau đây:

1

2𝑚𝑉0𝑚𝑎𝑥2 = 𝑒 𝑈𝑕Mặt khác Uh lại phụ thuộc vào bản chất của catốt và ánh sáng chiếu vào cho nên từ đây ta có thể phát biểu định luật như sau:

“ Vận tốc ban đầu (động năng ban đầu) cực đại của các quang electron không phụ thuộc vào cường độ của dòng ánh sáng chiếu vào mà chỉ phụ thuộc vào tần số (bước sóng) của ánh sáng đó mà thôi.”

5.4 Định luật về giới hạn đỏ của hiệu ứng quang điện

“Mỗi một kim loại sẽ có một tần số f0 xác định hay λ0 đặc trưng cho kim loại đó Miền tương quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng chiếu vào kim loại phải có tần số f lớn hơn tần

số f0 ( hay bước sóng λ nhỏ hơn bước sóng λ0)

f > f0 hay λ < λ0

f0 hay λ0 được gọi là giứoi hạn đỏ của hiệu ứng quang điện

* Giải thích các định luật quang điện:

a) Thuyết sóng ánh sáng đối với các định luật quang điện

Các electron quang điện được tách ra khỏi bản kim loại và có một động năng ban đầu

có thể giải thích bằng quan điểm của thuyết sóng như sau:

Sóng điện từ truyền tới vật chứa electron làm cho các electron này bị dao động cưỡng bức với biên độ dao động tỉ lệ với biên độ của sóng ánh sáng truyền tới vật Khi các electron thắng được lực liên kết để thoát ra khỏi vật kèm theo một năng lượng còn lại mà

nó nhận được đó là động năng Phần động năng ban đầu của các quang electron lại có độ lớn hoàn toàn phụ thuộc vào cường độ của dòng ánh sáng truyền tới vật, điều này mâu thuẫn với thực nghiệm

Theo thuyết sóng thì với bất kì kim loại nào cũng đều có thể gây ra hiện tượng quang điện mà không cần lựa chọn dòng ánh sáng chiếu vào Nghĩa là thuyết sóng ánh sáng không có khái niệm giứoi hạn quang điện miễn sao dòng quang điện chiếu vào vật phải

có cường độ đủ mạnh thì có thể gây ra hiện tượng quang điện

Mặt khác, khi sóng truyền đi thì năng lượng của sóng được phân bố đều trên mặt sóng một cách liên tục Mỗi một quang electron có thể nhận được một phần nhỏ năng lượng

mà sóng truyền tới vật Cho nên để bức được ra khỏi vật, các quang electron cần phải trải qua một khoảng thời gian ∆t để tích trữ năng lượng cho đến khi đủ sẽ tự thoát ra khỏi vật Điều này không phù hợp với thực nghiệm

Để giải thích các định luật quang điện Năm 1905, Albert Einstein đã phát triển thuyết lượng tử của Planck, ông cho rằng “ Năng lượng của ánh sáng cũng bị hấp thụ thành từng phần riêng biệt E = hf Cũng giống như khi bức xạ, ông cũng cho rằng khi vật chất hấp thụ được một năng lượng E = hf thì sẽ có một quang electron bị bật ra khỏi vật Năng lượng E = hf dùng để:

Sinh công thoát A0 để tách electron ra khỏi vật

Truyền cho electron một động năng ban đầu cực đại 1

2𝑚𝑣0𝑚𝑎𝑥2

𝐸 = 𝑕𝑓 = 𝑕𝑐𝜆 = 𝐴0 +12𝑚𝑣0𝑚𝑎𝑥2 (29)

Biểu thức trên được gọi là phương trình Einstein hay công thức Einstein

Từ công thức này chúng ta sẽ thấy việc giải thích các định luật quang điện sẽ phù hợp với thực nghiệm

Công thức (29) cho thấy vận tốc (động năng) ban đầu cực đại của cá quang electron không phụ thuộc vào cường độ dòng ánh sáng chiếu vào mà chỉ phụ thuộc vào tần số (bước sóng) của ánh sáng chiếu vào

Để có hiện tượng quang điện theo công thức (29) thì:

𝐸 = 𝑕𝑓 = 𝑕𝑐𝜆 > A0

=> 𝑕𝑐

𝐴0 ≥ 𝜆 Đặt 𝑕𝑐

𝐴0 = 𝜆0 hay 𝑓 ≥ 𝐴0

𝑕 Đặt 𝐴0

𝑕 = 𝑓0

Ta được kết quả như sau: f > f0 hoặc λ < λ0

f0 và λ0 được gọi là giới hạn quang điện

Cường độ dòng quang điện bão hòa được xác định: Iqđ = 𝑞

6.NHIỄU XẠ ĐIỆN TỬ [8]

6.1 Khái niệm

Nhiễu xạ là hiện tượng quan sát được khi sóng lan truyền qua vật cản (rõ nhất với các vật có kích thước tương đương với bước sóng), trong đó sóng bị lệch hướng lan truyền, lan tỏa về mọi phía từ vị trí vật cản và tự giao thoa với các sóng khác lan ra từ vật cản Hiện tượng nhiễu xạ đã được quan sát với mọi loại sóng như âm thanh, sóng nước, sóng điện từ (sóng ánh sáng hay radio) hay các hạt thể hiện tính chất thể hiện lưỡng tính sóng hạt

Nhiễu xạ điện tử là hiện tượng sóng điện tử nhiễu xạ trên các mạng tinh thể chất rắn, thường dùng để nghiên cứu cấu trúc chất rắn bằng cách dùng một chùm điện tử có động năng cao chiếu qua mạng tinh thể chất rắn, từ đó phân tích các vân giao thoa để xác định cấu trúc vật rắn

Tinh thể chất rắn có tính chất tuần hoàn, vì thế nó đóng vai trò như các cách tử nhiễu

xạ Nếu như các mặt tinh thể có khoảng cách liên tiếp là d thì góc nhiễu xạ sẽ cho cực đại nhiễu xạ tuân theo công thức Bragg: 2dsinθ = nλ

Với λ là bước sóng, θ là góc nhiễu xạ, n là số nguyên (n = 0,1,2,…) cũng là bậc giao thoa Hiện tượng này ứng dụng dựa trên lưỡng tính sóng hạt của vật chất Khi một chùm điện tử có xung lượng p, sẽ tương ứng với một sóng có bước sóng cho bởi công thức theo

lý thuyết De Broglie: 𝜆 = 𝑕

𝑐 với h là hằng số Planck

Dựa vào quan hệ giữa động năng E của điện tử và thế gia tốc V, ta có thể xác định bước sóng λ qua công thức : 𝜆 = 𝑕𝑐 = 𝑕

2𝑚0..𝑒.𝑉 với thế gia tốc V cỡ 200kV trở lên,

hiệu ứng tương đối tính trở thành đáng kể, và bước sóng cho bởi công thức tổng quát:

6.2.1 Nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng

Nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng (Selected Area Electron Diffraction – SAED) là một phương pháp nhiễu xạ sử dụng trong kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), sử dụng một chùm điện tử song song chiếu qua một vùng chất rắn được lựa chọn Phổ nhiễu xạ sẽ là tập hợp các điểm sáng phân bố trên các vòng tròn đồng tâm quanh tâm là vân nhiễu xạ bậc 0 tạo nên mặt phẳng tiêu của vật kính Gọi là nhiễu xạ lựa chọn vùng bởi vì người dùng có thể dễ dàng lựa chọn một vùng trên mẫu và chiếu chùm tia điện tử đi xuyên qua nhờ khẩu độ lựa chọn vùng SAA (Selected Area Aperture)

Phương pháp này dễ thực hiện trong kính hiển vi điện tử, có thể xác định các hằng số mạng Tuy nhiên nó có một nhược điểm là độ chính xác không cao, khó xác định định hướng, tính đối xứng tinh thể thực hiện trên một vùng diện tích khá rộng (vì để thực hiện trên một vùng hẹp thì khó tạo chùm điện tử song song) Vì thế muốn phân tích cấu trúc từng hạt tinh thể nhỏ thì khó thực hiện

Với phổ SAED, ta có thể chỉ ra tính chất của mẫu dựa theo đặc trưng của phổ

6.2.2 Nhiễu xạ chùm điện tử hội tụ

Nhiễu xạ chùm điện tử hội tụ (Convergent Beam Electron Diffraction – CBED) là phương pháp nhiễu xạ điện tử bằng cách hội tụ một chùm điện tử hẹp chiếu qua mẫu cần phân tích, lần đầu tiên được thực hiện bởi Kossel và Mollentstedt vào năm 1939

Với phương pháp này, chùm điện tử được hội tụ thành một điểm rất hẹp và có thể phân tích một diện tích rất nhỏ có thể tới cỡ vài chục Angstrom, hoặc vài Angstrom Vì các chùm tia được hội tụ nên sẽ có nhiều chùm tia tán xạ theo nhiều phương khác nhau Phương pháp CBED rất tiên tiến đối với việc phân tích tính đối xứng tinh thể, định hướng tinh thể của chất rắn, xác định nhóm không gian, thành phần pha và độ dày mẫu, đồng thời CBED cũng rất tiên tiến trong việc phân tích tính hoàn hảo của tinh thể Tuy nhiên, CBED khó thực hiện hơn nhiều so với SAED CBED thường chỉ có trong kính hiển vi điện tử truyền qua quét (STEM: Scanning Transmission Electron Microscopy), tức là dùng chùm điện tử hội tụ (hẹp) chiếu xuyên và quét qua mẫu

6.2.3 Nhiễu xạ điện tử năng lượng thấp – năng lượng cao

Nhiễu xạ điện tử năng lượng thấp (Low energy electron diffraction – LEED) là

phương pháp nhiễu xạ điện tử sử dụng các chùm điện tử có năng lượng thấp (từ 10 tới 600V), chiếu tán xạ trên bề mặt mẫu, thường dùng để phân tích tính chất bề mặt của chất rắn Phương pháp này được thực hiện lần đầu tiên vào năm 1929 bởi Davission và Germer trên các đơn tinh thể Si

Chùm điện tử được chiếu tán xạ trên bề mặt mẫu, do có các năng lượng thấp nên chỉ tương tác với một lớp mỏng tại bề mặt của mẫu, phổ nhiễu xạ được quan sát trên màn hình huỳnh quang đặt phía sau của mẫu cũng là các đường tròn đồng tâm

Nhiễu xạ điện tử năng lượng cao (High energy electron diffraction – HEED) là

phương pháp nhiễu xạ điện tử sử dụng chùm điện tử có năng lượng từ 5kV tới 100kV, chiếu tán xạ trên bề mặt và phổ nhiễu xạ hiển thị trên màn hình huỳnh quang đặt phía sau Đồng thời, góc chiếu chùm tia cũng rất nhỏ, chỉ cỡ vài độ 50 Phương pháp này rất nhạy với các tính chất tinh thể học ở bề mặt mẫu Phổ nhiễu xạ thu được là các vân giao thoa dạng đường thẳng trên màn

HEED và LEED được dùng để quan sát động học tinh thể trong các thiết bị như epitaxy chùm phân tử (Molecular Beam epitaxy – MBE), các thiết bị tạo màng,…

7 TÁN XẠ

Trong quang học, tán xạ là hiện tượng photon bị đổi hướng khi gặp các vật (vĩ mô như các tiểu hành tinh, vi mô như hạt bụi) Trong quá trình tán xạ thuần túy, năng lượng photon không thay đổi, chỉ có hướng thay đổi ngẫu nhiên theo một hàm mật độ xác suất

gọi là hàm tán xạ Thực tế, khi photon gặp các vật chất, không những hướng đi của nó thay đổi mà có thể cả năng lượng thay đổi (giảm bởi hiện tượng hấp thụ hay tăng bởi hiện tượng bức xạ) Lúc đó xảy ra tán xạ thuần túy và hấp thụ ở bức xạ thuần túy

Điều này lý giải vì sao bầu trời trên Trái đất có màu xanh da trời Vì khí quyển Trái đất tán xạ mạnh thành phần màu xanh da trời (bước sóng ngắn) trong ánh sáng trắng đến

từ Mặt trời Đây là một ví dụ của tán xạ Rayleigh

Trong các thí nghiệm tán xạ của vật lý hạt, người ta bắn các chùm hạt (thường là electron, proton hay neutron) vào một mẫu vật và đếm số lượng bay ra các hướng khác nhau Sự phân bố các hạt bay ra theo hướng sẽ cho biết thông tin về tương tác giữa mẫu vật liệu và các hạt bắn vào Một thí nghiệm nổi tiếng của Ernst Rutherford, ông bắn các hạt alpha vào một miếng vàng mỏng để tìm ra cấu trúc nguyên tử (bao gồm một hạt nhân

bé xíu ở giữa đám mây electron)

Lý thuyết tán xạ đã được phát triển để nghiên cứu hiện tượng này Lý thuyết dùng các

dữ kiện quỹ đạo bay của các hạt (trong hệ quy chiếu gắn với mẫu bị bắn) để tiên đoán phân bố của hạt bay ra theo mật độ (số hạt trên diện tích mặt cắt) của các hạt bay vào.[8]

CHƯƠNG 2: SƠ LƯỢC CÁC DỤNG CỤ QUANG HỌC[9][10]

1.2 Cấu tạo và ứng dụng:

1.2.1 Cấu tạo:

Kính lúp ( lúp được phát âm từ chữ loupe bên tiếng Pháp) là một thấu kính hội tụ hoặc

hệ thấu kính ghép lại với nhau, tụ số lớn Đường kính của kính lúp nằm trong khoảng vài

cm tới vài chục cm, được lồng trong khung tròn có tay cầm để bảo vệ Kính lúp được coi

là “thời kỳ nguyên thủy” của kính hiển vi sau này

Một số loại được thiết kế ở dạng có thể gập lại sau khi sử dụng, bảo vệ mặt kính không

bị trầy xước, một số được thiết kế mỏng lại như một miếng thẻ, được gọi chung là thẻ lúp

1.2.2 Ứng dụng:

Kính lúp dùng để khuếch

đại hình ảnh, các vật thể nhỏ

để mắt thường quan sát rõ

Nó hoạt động dựa trên việc

tạo ra ảnh ảo, cùng chiều,

lúp rõ hay mờ dựa trên độ

bội giác của kính lúp Độ

bội giác được hiểu là đại lượng đặc trưng cho khả năng làm tăng góc nhìn vật của mắt [5]

Hình 2.2 Độ bội giác của kính lúp

Độ bội giác của kính lúp được tính bằng công thức G = 𝛼

𝛼0

Kính lúp được ứng dụng để quan sát các ký tự hay vật thể có kích thước nhỏ hoặc dùng để phục vụ các thí nghiệm khoa học đơn giản ở các trường học Trong lịch sử, thấu kính hội tụ còn được dùng để đốt cháy vật khi đặt dưới ánh mặt trời

1.2.3 Hạn chế:

Kính lúp chỉ có thể khuếch đại các vật thể nhỏ mà mắt thường nhìn không rõ, đối với các vật thể có kích thước vi mô như vi khuẩn, tế bào, thì việc quan sát nằm ngoài khả năng thực hiện của kính lúp Nên từ đó, kính hiển vi ra đời nhằm thay thế và bổ sung những khiếm khuyết đó của kính lúp Đầu tiên và cơ bản nhất là kính hiển vi quang học

2 KÍNH HIỂN VI QUANG HỌC

2.1 Lịch sử hình thành

Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) là cha đẻ của khoa học hiển vi ngày nay Từ thuở niên thiếu làm công trong tiệm vải, ông thấy được sự thú vị khi nhìn thấy các sợi vải được phóng to sau khi ông đưa mắt nhìn qua đáy chai Từ đó ông mài mò nghiên cứu và tìm tòi phát minh ra kính hiển vi đầu tiên (Hình 2.3)

Nhà bác học Anh Robert Hook (1635 – 1703) đã sử dụng nguồn sáng khi soi kính hiển

vi Chức danh “cha đẻ của kính hiển vi quang học” mới đích thực thuộc về ông Ông quan sát cấu tạo của phần chất bần của cây thủy sinh và phát hiện cấu trúc tế bào và gọi

đó là “cell” (từ cell cho đến ngày nay vẫn được dùng để gọi là tế bào trong từ điển tiếng Anh) Năm 1665, quyển “Hình ảnh hiển vi” được ông xuất bản nhằm giới thiệu những đối tượng mà mắt thường không quan sát được

Ngoài ra còn có các phát minh khác

được phát triển tiếp bước Antoni van

Leeuwoenhoek và Robert Hook Kính

hiển vi được sáng chế tinh vi hơn bao

gồm vật kính và thị kính, vấn đề sai lệch

màu sắc gần như được cải thiện triệt để

Những năm 80 của thế kỷ XIX,

Giovani Battisa Amici (1786 – 1863)

phát minh kính hiển vi phản xạ Ông

quan sát được sự sinh trưởng của ống

phấn hoa, từ đó tiến hành theo dõi và

phát hiện sự thụ tinh của thực vật Năm

1812, David Brewster (1781- 1868) ngâm vật kính và mẫu vật trong một chất lỏng có độ khúc xạ gần với thủy tinh (glycerine), điều đó có thể triệt tiêu sự sai lệch và tán sắc ánh sáng khi đi qua các môi trường có độ khúc xạ khác nhau Ernst Abbe (1840 – 1905) và Carl Zeiss (1816 – 1888) là 2 nhà khoa học Mỹ đã cộng tác tìm ra được dầu Tuyết tùng – chất dầu ngâm kính tốt nhất sau khi thử nghiệm 300 chất khác nhau Ngoài ra họ còn thay thế thủy tinh truyền thống bằng thủy tinh borate và thủy tinh phosphate Năm 1886, Abbe phát minh ra kính tụ quang rọi sáng dưới vật kính Năm 1953, Frederik Zernike (1888 – 1966) nhận giải thưởng Nobel danh giá do những cống hiến trong lĩnh vực Sinh học Ông phát minh ra kính hiển vi tương phản pha, quan sát được vật thể trong suốt, không màu (xoắn thể gây bệnh giang mai)

2.2 Cấu tạo và ứng dụng

2.2.1 Cấu tạo:

Một kính hiển vi quang học gồm có các bộ phận như sau:

(1) Thị kính: có thể từ 1 đến 2 thấu kính thủy tinh cho phép tạo ảnh cuối cùng cảu vật qua hệ quang dọc Độ phóng đại của thị kính khá nhỏ, thường dưới 10x, được lắp đặt trong 1 ống trụ và có thể thay đổi dễ dàng

(2) Giá điều chỉnh vật kính

(3) Vật kính: là thấu kính quang trọng nhất của các hệ tạo ảnh nhờ thấu kính, là 1 (hoặc có thể là hệ gồm nhiều thấu kính) có tiêu cực ngắn, phóng đại vật với độ phóng đại lớn Nhờ giá điều chỉnh, vật kính khác nhau có thể xoay để thay đổi trị số phóng đại Trên vật kính có thể ghi các trị số phóng đại Trong trường hợp các vật kính đặc biệt, người ta có thể sử dụng dầu nhằm tăng độ phân giải

hệ thống

(4,5) Giá vi chỉnh: điều chỉnh độ cao mẫu vật, lấy nét trong quá trình tạo ảnh

(6) Giá đặt mẫu vật

(7)Hệ thống đèn, gương,…tạo ánh sáng chiếu sáng mẫu vật

(8) Hệ thống khẩu độ và các thấu kính hội tụ tạo các chùm tia song song chiếu qua mẫu vật

(9) Vi chỉnh cho phép dịch chuyển mẫu vật theo chiều ngang để quan sát các phần khác nhau theo ý muốn [9]

2.2.2 Ứng dụng:

Hoạt động của kính hiển vi dựa trên việc sử dụng ánh sáng khả kiến để chiếu lên mẫu vật, kết hợp nguyên tắc khúc xạ ánh sáng qua hệ các thấu kính thủy tinh để phóng đại mẫu cần quan sát Vật kính là bộ phận chính, bản chất của vật kính là một thấu kính có tiêu cự ngắn tạo nên sự phóng đại ảnh của mẫu

Cũng giống như kính lúp, kính hiển vi cũng có độ bội giác là đại lượng đặc trưng cho khả năng làm tăng góc nhìn vật của mắt để quan sát vật thể qua nó mờ hay rõ Độ bội giác của kính hiển vi có công thức:

𝐺 = 𝛼

𝛼0Nếu ngắm chừng ở vô cực: 𝐺∞ = 𝑓1

𝑓2

Ảnh thu được qua thấu kính là ảnh thật và ngược chiều với mẫu nên hệ thấu kính (hoặc lăng kính) được dùng làm trung gian đóng vai trò lật ảnh lại theo đúng chiều Ảnh được quan sát ở thị kính và tùy theo cách thức quan sát mà ảnh có thể là ảnh thật hoặc ảnh ảo Ảnh sẽ là ảnh ảo khi hệ thị kính được thiết kế để quan sát trực tiếp bằng mắt thường Ảnh

là ảnh thật khi hệ thị kính được ghép vào các thiết bị ghi nhận như CCD camera

(Charged-Couplede Device) hoặc là film quang học

2.2.3 Hạn chế:

Ánh sáng khả kiến được sử dụng trong kính hiển vi quang học nhưng do hiện tượng nhiễu xạ của sóng ánh sáng và độ phân giải của các hệ quang học bị hạn chế đáng kể Năng suất phân giải của hệ quang học rõ ràng phụ thuộc mạnh vào bước sóng của ánh sáng sử dụng Như vậy, để có thể quan sát được những vật thể và cấu trúc có kích thước nhỏ hơn (trong khoảng vài nm) cần phải có những thiết bị sử dụng chùm tia có bước sóng hơn ngắn hơn nữa

CHƯƠNG 3: KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA[6]

Hỉnh ảnh thực tế của TEM (Transmission Electron Microscopy: kính hiển vi điện

tử truyền qua)

Kính hiển vi điện tử truyền qua (được viết tắt là TEM: Transmission Electron Microscopy) là một thiết bị quang học được cải tiến để nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn,

thay vì sử dụng ánh sáng khả kiến như kính hiển vi quang học, TEM sử dụng chùm điện

tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng, thấu kính thủy tinh được thay bằng thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (gấp hàng triệu lần), ảnh có thể được

thu trên màn huỳnh quang, film quang học hoặc các máy chụp kỹ thuật số [10]

Năm 1950, Latta và Hartman chế tạo ra máy cắt siêu mỏng (Ultramicrotome) dùng lưỡi dao thủy tinh để cắt mẫu vật thành những lát mỏng cỡ vài chục nanomet đã giúp cho phương pháp hiển vi điện tử trở lên hoàn thiện cả về phương diện thiết bị và kỹ thuật chuẩn bị mẫu Sự ra đời của máy cắt siêu mỏng đã giúp cho các nhà nghiên cứu, đặc biệt

là các nhà tế bào học và vi sinh vật học đi sâu nghiên cứu chi tiết siêu cấu trúc tế bào sinh vật, đưa ra được bức tranh chi tiết các bào quan của tế bào nhân chuẩn Cũng chính nhờ hiển vi điện tử mà hàng loạt vi sinh vật cũng như vi rút lần đầu tiên được phát hiện trong những năm 1950-1980 Phân loại đầu tiên của vi rút học đã dựa vào hình thái vi rút khi quan sát dưới kính hiển vi điện tử

Ngày nay, kính hiển vi điện tử vẫn là một thiết bị nghiên cứu quan trọng trong nghiên cứu về khoa học sự sống và vật liệu (công nghệ nano) Trong lĩnh vực virus học, đây là thiết bị không thể thiếu, thiết bị này cho phép quan sát được hình thái siêu cấu trúc của hầu hết các loại vi rút gây bệnh, các đại phân tử như ADN, ARN… Với độ phân giải cao, cùng với những kỹ thuật chuẩn bị mẫu hiện đại, hiển vi điện tử còn cho phép các nhà vi sinh vật học, tế bào học…quan sát sự tương tác giữa vi rút gây bệnh và tế bào vật chủ, các đặc tính hóa miễn dịch tế bào Việc chẩn đoán nhanh về hình thái, cấu trúc một số vi sinh vật gây bệnh truyền nhiễm vẫn là một lợi thế của hiển vi điện tử, đặc biệt là đối với những tác nhân gây dịch bệnh truyền nhiễm chưa xác định rõ nguyên nhân Tuy nhiên, để phát huy được tối ưu hiệu quả của hiển vi điện tử trong nghiên cứu mẫu sinh vật thì việc kết hợp với các kỹ thuật chẩn đoán khác cũng trở nên rất cần thiết

Hiển vi điện tử là một phương pháp nghiên cứu tương đối phức tạp và có nhiều kỹ thuật khác nhau, tuỳ thuộc vào đối tượng và mục đích nghiên cứu, các thiết bị phụ trợ và hoá chất cũng rất chuyên dụng Vì vậy, người sử dụng EM trong nghiên cứu y sinh không những phải am hiểu về siêu cấu trúc tế bào, sinh hoá, vi sinh, miễn dịch, kiến thức chuyên ngành mà còn cần phải hiểu về các kỹ thuật chuẩn bị mẫu, khai thác thông tin từ hình ảnh và kiến thức nhất định về vật lý, hoá học

2 CẤU TẠO CHI TIẾT:

2.1 Hệ thống chiếu sáng:

Hệ thống chiếu sáng luôn nằm trên đỉnh của cột kính, bao gồm súng phát xạ điện tử

(cấu tạo từ sợi đốt, tức là catốt, lưới, màn anốt) và các thấu kính hội tụ Chức năng của hệ

này là tạo ra một chùm tia điện tử đủ mạnh, đường kính nhỏ, độ đơn sắc và độ song song cao nhằm tạo ảnh với độ sáng cần thiết, độ phân giải cao và độ sai lỗi đạt tối thiểu