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

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 :

I. Tổng quan về tia X .
II. Tinh thể .
III.Nhiễu xạ tia X .
IV.Phương pháp phân tích tinh thể .
V. Ứng dụng .


I. Tổng quan về tia X .
1.

•

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

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 khơng nhìn thấy được, nhưng khi cho tác dụng lên
chất huỳnh quang thì chất này lại phát sáng nên mắt thường nhìn thấy được. Ơng 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.

Wilhelm Conrad Roentgen (1845–1923)


I. Tổng quan về tia X .
1.

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

•
•

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

•

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 ngun tử trong tinh thể.

Trong q trình làm thí nghiệm khi chiếu tia X vào tinh thể Laue đã quan sát được hiện tượng nhiễu xạ. Ơng
cho rằng tia X là sóng và có bước sóng rất ngắn


I. Tổng quan về tia X .
1.

•

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

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

Tuy nhiên, các vấn đề được tính cấu trúc tinh thể
từ các công thức của Laue là cực kỳ phức tạp.


I. Tổng quan về tia X .
1.

•

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

Sau đó, hai cha con nhà Bragg đã tìm ra cách tính tốn 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 ).

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 Lawrence Bragg


I. Tổng quan về tia X .
2.

•
•
•
•
•
•
•
•

Tia X là gì ?
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.
Làm đen phim ảnh, kính ảnh.
Ion hóa các chất khí.
Tác dụng mạnh lên cơ thể sống, gây hại cho sức khỏe

I. Tổng quan về tia X .
2.

Tia X là gì ?

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


I. Tổng quan về tia X .
3.

Cách tạo 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.


I. Tổng quan về tia X .
3.

Cách tạo 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 số chắn.
n1, n2: các số lượng tử chính (n 1 < n2)
Chú ý rằng:
với c là vận tốc ánh sáng .Ta có 2
R: hằng số Rydberg (109737)
Z: điện tích hạt nhân của kim loại dùng làm đối catot.

•

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)…


I. Tổng quan về tia X .
3.

Cách tạo tia X :


II. Tinh thể :
1.



Cấu trúc tinh thể

Tinh thể là sự sắp xếp tuần hồn trong khơng gian của các ngun tử hoặc phân tử


II. Tinh thể :
2.

Chỉ số Miller

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 ơ 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.



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.


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 khơng 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.


III. Nhiễu xạ tia X :
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 hồn 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 trị như cách tử nhiễu xạ.


III. Nhiễu xạ tia X :
2.



Định luật Vulf – Bragg

Định luật Bragg giả thiết rằng mỗi mặt phẳng
nguyên tử phản xạ sóng tới độc lập như phản xạ
gương.



Phương trình Vulf – Bragg:

nλ = 2dhkl sin θ
n được gọi là “bậc phản xạ”



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.


III. Nhiễu xạ tia X :
3.



Nhiễu xạ bởi điện tử tự do:



Nhiễu xạ bởi nguyên tử:

Cường độ nhiễu xạ

e4
I = I 0 2 2 4 sin 2 ( 2θ )
r me c
 

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



I g = ( ψ g ) µ ( Fg )
2

Nhiễu xạ bởi ơ 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)

2


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.

a.

Nhiễu xạ đơn tinh thể

Phương pháp ảnh Laue:

S1
2φ

S0

O

Màn phim

P

IV.

Phương pháp phân tích tinh thể
1.

a.

Nhiễu xạ đơn tinh thể

Phương pháp ảnh Laue:



Phương pháp phản xạ: Các vết nhiễu xạ nằm
trên đường hyperbol.



Phương pháp truyền qua : Các vết nhiễu xạ
nằm trên một đường elip.


a.

Ưu

Phương pháp ảnh Laue:

Nhược

Xác định hướng của các trục tinh thể

Do khoảng bước sóng rộng nên với một họ mặt cơng thức Bragg

và tính đối xứng của các đơn tinh thể.

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.


IV.

Phương pháp phân tích tinh thể
1.

b.




Nhiễu xạ đơn tinh thể

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.