PHƯƠNG PHÁP HUỲNH QUANG TIA X
6.3. Cấu tróc mức năng lượng của điện tử trong nguyên tử
Nguyên tử bao gồm hạt nhân và các electron chuyến động xung quanh hạt nhân. Khối lượng của hạt nhân chiếm trên 99,97% khối lượng của nguyên tử. Hạt nhân có bán kính khoảng 6.10‘l5m và bán kính của nguyên tử khoảng 10 Hlm (gấp khoảng 17000 lần bán kính của hạt nhân).
Hạt nhân nguyên tử gồm proton mang điện tích dương và notron không mang điện (trung hòa về điện) liên kết với nhau bằng lực hạt nhân. Các điện tử mang điện tích âm và liên kết với hạt nhân bằng lực tĩnh điện.
Một electron ở trong nguyên tử được đặc trưng bởi 4 số lượng tử, đó là:Số ỉượng tử chính, kí hiệu là n, bao gồm các sổ dương. Cụ thể ỉà n = 1,2,3, 4, ...Số lượng tử chính gán cho các lớp năng lượng gián đoạn chứa điện tử. Lớp gần hạt nhân nhất, có liên kết mạnh nhất với hạt nhân là lóp K ứng với n = 1. Tiếp theo lóp k là lớp L, có liên kết với hạt nhân yếu hon lóp K và ứng với n = 2. Sau lóp L là lớp M ứng với n = 3, lóp N ứng với n = 4, lớp o ứng với n - 5, lớp p ímg với 11 = 6 và ngoài
Chương 6. PHƯƠNG PHÁP HUỲNH QUANG TIA X 157
cùng là lớp Q ứng với n = 7. s ố lượng tử phụ, kí hiệu là / (hay còn gọi là số lượng tử momen góc). Các giá trị của 1 ứng với số lượng tử chính n cho trước sẽ là: 1 = 0;l;2 ;...(n -l). Tổng cộng có n số lượng tử phụ.
Số iượng tử từ, kí hiệu là m. Các giá trị của m ứng với các giá trị cho trước của 1 sẽ là m = -1; -(1+1);...; 0; ...(1-1); 1. N hư vậy tổng cộng có
2 1 + 1 sỗ lượng tử từ đối với mỗi giá trị của 1. s ố lượng tử m gắn cho hướng khả dĩ của momen góc đã được lượng tử hóa.
Số lượng tử spin, kí hiệu là s. Các giá trị của spin +1/2 và -1/2, tổng cộng có hai giá trị. Electron có spin riêng và trong bất kì tương tác nào cũng chỉ cho hai hướng cho phép.
Số lượng tử j, được tạo thành từ số lượng tử phụ 1 và số lượng tử spin s, có giá trị là j = 1 +s. Tổng cộng có 2.(21 + 1) trạng thái (j không phải là số lượng tử mới). Vì j không lấy giá trị âm nên với 1 = 0 thì j chi có một giá trị là +1 .Đối với năng lượng của electron quay trong nguyên tử thì số lượng tử chính n có ý nghĩa quan trọng nhất.
Bàng 6.1. cấu trúc nguyên tử của ba lớp vỏ chính đầu tiên.
Lớp (số
điện tử) n 1 M s Ọuỹ đạo J
K(2) 1 0 0 ±1/2 ls 1/2
2 0 0 ±1/2 2s '/2
L(8)
2 ] 1 ±1/2 2p ‘Á, 3/2
2 1 0 ±1/2 2p '/2, 3/2
2 1 -1 ±1/2 2p '/2, 3/2
3 0 0 ±1/2 3s ‘/2
3 1 1 ±1/2 3p 'Á, 3/2
3 1 0 ±1/2 3p ‘/2, 3/2
3 1 -1 ±1/2 3p '/2, 3/2
M (18) 3 2 2 ±1/2 3d 3/2, 5/2
3 2 1 ±1/2 3d 3/2, 5/2
3 2 0 ±1/2 3d 3/2, 5/2
3 2 -1 ±1/2 3d 3/2, 5/2
3 2 -2 ±1/2 3d 3/2, 5/2
CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH V Ậ Ĩ LIỆU
6.4. Các vạch tia X đặc trưng và quy tăc chọn lọc
Theo cơ học cổ điển thì các điện tử ở m ức năng lượng cao hơn đều có thể chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn để lấp vào lỗ trống. Tuy nhiên theo cơ học lượng tử thì sự dịch chuyến đó cần phải tuân theo một số quy tắc nhất định. Đối với bất kỳ một chuyển dịch nào thì các số lượng tử của hai mức năng lượng đầu và cuối cũng đều phải tuân theo các quy tắc chọn lọc sau:
Àô > 1 A/ = ±1 Ạ/ = ±1 ; 0
Các dịch chuyển đã được tiên đoán theo quy tắc chọn lọc. Cũng có trường hợp hai quy tắc sau bị vi phạm (ví dụ AI = -2 hoặc Aj = -2) và có thể vẫn quan sát được các chuyển dịch bị cấm, nhưne xác suất này nhỏ và các vạch đó thường rất yếu nên không gây ảnh hưởng đáng kể đến quá trình phát xạ của các vạch khác. N hững vạch yếu và không tuân theo quy tắc gọi là các vạch vệ tinh, cũng quan sát được từ các nguyên tử ion hóa kép (Hình 6.4).
M ức trung binh
N
M
' í
M ức cắm M ức xung quaoh
IVIII
ilỉ
LU
ET
VL*
ũ
'wuỊs
ộs Pa Ps p4 ô * a 3 a*Os
1 1 1 1 . Ĩ I _ Ĩ Ĩ
M ức lon hóa
Hình 6.4. Các vạch dịch chuyển quan sát được ở lớp K.
Chương 6. PHƯƠNG PHÁP HUỲNH QUANG TIA X
Theo quy ước, các dãy khác nhau trong phố tia X được đặt tên như sau: Chữ in hoa chỉ vạch cuối của sự dịch chuyển, ví dụ chữ K tương ứng với các dịch chuyển của electron kết thúc ở vạch K. Tương tự như vậy chừ L tương ứng với tất cả các chuyển dịch của điện tử kết thúc ở các mức L (Li, Ln, Lin). Mồi vạch cụ thể còn được phân biệt bằng cách gắn thêm một chữ Hi Lạp và một chỉ số ở dưới đặt sau chừ in hoa, ví dụ a l;/?3;7 6... Những kí hiệu này thường cũng phản ánh cường độ tương đổi của mồi vạch. Vạch a i là vạch mạnh nhất trong một phổ. Quy ước kí hiệu này được chấp nhận rộng rãi nhưng nó không phản ánh quan hệ của sự dịch chuyển để tạo ra vạch đó. Có thể mô tả một vạch bằng các mức chuyển dịch đầu cuối của electron. Mồi vạch đặc trưng cho hiệu năng lượng liên kết của các mức chuyển dịch đầu cuối, đối với vạch K ai:
(6.2)
và bước sóng tương ứng (nm):
- _ 1 2 3 9 ,8 _ 1 2 3 9 ,8 f c ^
A K a l — ~ T ~ — ~ Ĩ ~ F¿Kal Vk-HLịịị ( ' Bảng 6.2. Các vạch tia X chính (theo kí hiệu của IUPAC và Siegbahn) và cường độ gần đúng của chúng liên quan với vạch chủ yếu bên trong
Số thứ tự Tên theo IƯPAC
Tên theo Siegbahn
Cirờìig độ tương đối
k- l3 Ka, 100
K- L2 K(i2 - 5 0
VạchK
K- M3 K p , ~ 17
k-m2 Kp3 ~ 8
L r M5 L a l 100
l3- m4 La2 -1 0
VạchLỵì L 3- N 5,4 Lp2,15 -25
l3- m, L, ~5
M 3- N | L p 6
Vạch L2 l2- m4 L p i 100
160 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LIỆU
l2- n4 L2- M j l2- 0 ,
Ly]
Ln
Lỵ6
-2 0
~3
~3
l, -m3 Lp3 100
Lj- M 2 L[34 - 7 0
Hàng L ị
l, -n3 L ỵ3
oì
Lị- N 2 Lỵ2 - 3 0
m5- n7 M al
Hàng M m5- n6 Mô2
m5- n5 Mp