tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia x d8 advance

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÍ

TÌM HIỂU CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY
NHIỄU XẠ TIA X D8-ADVANCE
Luận văn tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÍ
Chuyên ngành: SƯ PHẠM VẬT LÍ- CÔNG NGHỆ

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Ts. Nguyễn Trí Tuấn

Nguyễn Thị Diễm Thi
Mã số SV: 1110276
Lớp: TL1192A1

Cần Thơ, 2015

2015


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được quyển luận văn này, em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn
Trí Tuấn đã hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức quý giá, theo dõi và giúp đỡ em
trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô thuộc bộ môn Vật Lý - Khoa Sư phạm Trường Đại học Cần Thơ, các Thầy, Cô đã truyền đạt kiến thức và và tận tình hướng
dẫn trong suốt thời gian em học tập tại trường giúp em tự tin hơn trong quá trình học

tập.
Em cũng xin chân thành cảm ơn bạn bè đã tận tình chỉ bảo, động viên, giúp đỡ em
trong quá trình học tập cũng như nghiên cứu.
Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình và người thân đã luôn quan tâm, động viên
và là chỗ dựa về tinh thần và vật chất cho em trong suốt quá trình học tập tại trường.
Xin chân thành cảm ơn!
Cần Thơ, ngày 27 tháng 4 năm 2015
Tác giả

Nguyễn Thị Diễm Thi


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện. Các số liệu,
kết quả phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố
trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây.

Mọi tham khảo, trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham khảo
của luận văn

Cần Thơ, ngày 27 tháng 4 năm 2015
Giáo viên hướng dẫn

Nguyễn Trí Tuấn

Tác giả

Nguyễn Thị Diễm Thi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt



Energy
Efecctive mass of
electron
Wavelength

Năng lượng
Khối lượng hiệu dụng của
điện tử
Bước sóng

f

Frequency

Tần số

c

Constant

Vận tốc ánh sáng

SWL

Short wavelength

Sóng ngắn

XRD

X-ray diffraction

Nhiễu xạ tia X

E
me


DANH MỤC CÁC BẢNG
Stt

Tên bảng

Trang

1
2

Bảng 1.1 Phân loại mạng không gian theo hệ tinh thể
Bảng 1.2 Công thức tính khoảng dhkl các giữa các mặt lân cận phẳng
tinh thể của các hệ tinh thể.

Bảng 1.3 : Một số bước sóng được dùng thông dụng

3
9

3
4
5
6
7
8

9

Bảng 1.4 Dạng tổng bình phương của một số chỉ số Miller cho hệ lập
phương
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của máy D8-Advance
Bảng 2.2 Kích thước trung bình của tinh thể ZnO tổng hợp bằng
phương pháp đồng kết tủa tỉ lệ mol ZnCl2/(NH4)2CO3 là 1/1
Bảng 2.3 Kích thước trung bình của tinh thể ZnO tổng hợp bằng
phương pháp đồng kết tủa tỉ lệ mol ZnCl2/(NH4)2CO3 là 1/2
Bảng 2.4 Kích thước trung bình của nano tinh thể ZnS được thủy
nhiệt ở 200 oC trong 4 h, 7 h và 4 h có chất hoạt động bề mặt
acrylamide
Bảng 2.5. Kích thước trung bình của hạt nano tinh thể ZnS được tổng
hợp bằng phương pháp hỗ trợ vi sóng

18
26
29

48
49
51

51


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Stt
1
2
3
4
5
6
7

8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

21
22

23
24
25
26
27
28

Tên hình vẽ và đồ thị
Trang
Hình 1.1 (a) Mạng không gian của vật rắn tinh thể lý tưởng, (b) Ô đơn
2
vị và hằng số mạng.
Hình 1.2 Mười bốn ô đơn vị mạng Bravais được nhóm theo hệ tinh thể
4
Hình 1.3 Các yếu tố đối xứng đối với mạng tinh thể
5
Hình 1.4 Chỉ sô Miller của một số mặt tinh thể lập phương quan trọng:
6
(a)(100), (b)(110), (c)(111)
Hình 1.5 (a) Mặt tinh thể lập phương có giao điểm phân số và ( b) mặt
qua gôc tọa độ các mặt có màu xám.
Hình 1.6 Hình ô cơ bản lập phương nhìn từ trên xuống cho thấy
khoảng cách giữa các mặt phẳng (110), d110
Hình 1.7 Khuyết tật điểm nút khuyết. (b)khuyết tật ngoài nút nguyên
tử xen kẽ. (c) nút khuyết đôi cation-anion( khuyết tật Schottky ) và nút
khuyết cation (khuyết tật Frenkel) trong mạng hai chiều tinh thể ion.
Hình 1.8 (a) Hình phối cảnh chỉ rõ vị trí xung quanh lệch biên, (b)

hướng của vector trược.
Hình 1.9 Thang sóng điện từ
Hình 1.10 Hình vẽ mặt cắt cấu tạo của ống phát tia x
Hình 1.11 Minh họa quá trình ion hóa lớp trong và phát xạ tia x đặc
trưng
Hình 1.12 Sơ đồ phổ tia X của Molipden với thế tăng tốc khác nhau
Hình 1.13 Sự di chuyển của electron trong nguyên tử tạo thành tia x
đặc trưng Kα và Kβ
Hình 1.14 Phổ tia X của molipđen ở thế 35 kV
Hình 1.15 Nhiễu xạ tia X bởi các mặt phẳng của nguyên tử
Hình 1.16 Sơ đồ nhiễu xạ tia x bằng phương pháp nhiễu xạ chụp ảnh
Laue
Hình 1.17 Phim đặt trước tinh thể (a ) và phim đặt sau tinh thể (b) để
chụp tia x
Hình 1.18 Phổ của NaCl với catot là Cu, góc quét 2θ từ 0 đến 90o
Hình 1.19 Nhiễu xạ kế
Hình 1.20 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ZnS
Hình 2.1 Máy nhiễu xạ tia x D8-Advance
Hình 2.2. Dữ liệu nhiễu xạ (Trung tâm dữ liệu nhiễu xạ quốc tế International Center for Diffraction Data-ICDD), PDF-2, bản quyền
2013)
Hình 2.3 Nguồn tia X
Hình 2.4 Hệ kính TWIN sử dụng khe cơ giới
Hình 2.5 Hệ thống làm mát Chiller
Hình 2.6 Bệ để mẫu
Hình 2.7 ( a) Bệ để mẫu chặt xích XYZ và (b) bệ để mẫu chặt xích
Eulerian
Hình 2.8 Đầu thu Lynxeye

7
8

11

12
13
14
15
16
17
18
20
22
23
24
25
26
28
30

31
31
32
32
33
33


29
30
31
32

33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46

47
48
49
50
51

Hình 2.9 ( a) Đầu thu VANTEC 1 chiều và (b) đầu thu LYNXEYE 1
chiều
Hình 2.10 Đầu thu phân tán năng lượng Sol-Xe
Hình 2.11. Giao diện phần mềm Diffract.Eva
Hình 2. 11 (a) Đèn led cửa trập và (b) Khóa hiển thị màn hình
Hình 2.12 ( a) Đèn chiếu sáng và (b) Khóa nguồn
Hình 2.13 Đế để mẫu
Hình 2.14 Giao diện cài đặt các thông số đo nhiễu xạ tia X
Hình 2.15 Giao diện kết quả đo mẫu chuẩn

Hình 2.16 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ZnO 1/1 ở 1000C
Hình 2.17 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ZnO 1/1 ở 2000C
Hình 2.18 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ZnO 1/1 ở 3000C
Hình 2.19 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ZnO 1/1 ở 4000C
Hình 2.20 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ZnO 1/1 ở 5000C
Hình 2.21 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ZnO 1/1 ở 6000C
Hình 2.22 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ZnO 1/1 ở 7000C
Hình 2.23 Giản đồ nhiễu xạ tia X ba đỉnhđặc trưng của mẫu ZnO 1:1
ở 2000C
Hình 2.24 Giản đồ nhiễu xạ tia X ba đỉnh đặc trưng của mẫu ZnO 1:1
ở 3000C
Hình 2.25 Giản đồ nhiễu xạ tia X ba đỉnh đặc trưng của mẫu ZnO 1:1
ở 4000C

34

Hình 2.26 Giản đồ nhiễu xạ tia X ba đỉnh đặc trưng của mẫu ZnO 1:1
ở 5000C
Hình 2.27 Giản đồ nhiễu xạ tia X ba đỉnh đặc trưng của mẫu ZnO 1:1
ở 6000C
Hình 2.28 Giản đồ nhiễu xạ tia X ba đỉnh đặc trưng của mẫu ZnO 1:1
ở 7000C
Hình 2.29 Giản đồ nhiễu xạ tia X của phổ ZnO 1/2 thay đổi theo nhiệt
độ.
Hình 2.30 Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano tinh thể ZnS được chế
tạo bằng các phương pháp hóa học

45

35

36
37
37
37
38
39
40
40
41
41
42
42
43
43
44
45

46
47
48
50


Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 1
PHẦN NỘI DUNG ................................................................................................... 2
CHƯƠNG 1: Tổng quan về tia X và tinh thể .......................................................... 2
1. Tinh thể. ................................................................................................................ 2

1.1 Cấu tạo ................................................................................................................ 2
1.1.1 Mạng không gian và ô cơ bản.......................................................................... 2
1.1.2 Hệ tinh thể và mạng Bravais............................................................................ 3
1.1.3 Sự đối xứng tinh thể ........................................................................................ 5
1.2 Chỉ số Miller của mặt tinh thể ........................................................................... 5
1.3 Mạng đảo ........................................................................................................... 9
1.4. Sai lệch mạng tinh thể ....................................................................................... 10
1.4.1 Khuyết tật điểm ............................................................................................... 10
1.4.2 Khuyết tật đường- lệch ................................................................................... 11
1.4.3 Khuyết tật mặt ................................................................................................ 12
2. Tổng quan về tia X .............................................................................................. 12
2.1 Sự tìm ra tia X.................................................................................................... 12
2.2 Các tính chất của tia X ........................................................................................ 13
2.3 Cách tạo ra tia X ................................................................................................ 14
3. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X ........................................................................................ 18
3.1 Hiện tượng nhiễu xạ tia X ................................................................................. 18
3.2 Định luật Braagg ................................................................................................ 19
3.3 Cường độ nhiễu xạ ............................................................................................. 21
3.3.1 Nhiễu xạ bởi điện tử tự do .............................................................................. 21
3.3.2 Nhiễu xạ bởi ô nguyên tử ................................................................................ 21
3.3.3 Nhiễu xạ bởi mạng cơ bản ............................................................................... 21
3.4 Các phương pháp phân tích tinh thể bằng tia X ................................................. 22
3.4.1 Phương pháp chụp ảnh Laue ........................................................................... 22
GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

i

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi

Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

3.4.2 Phương pháp đơn tinh thể quay ....................................................................... 23
3.4.3 Phương pháp nhiễu xạ bột .............................................................................. 24
CHƯƠNG 2: MÁY NHIỄU XẠ TIA X D8-ADVANCE ....................................... 28
1. Giới thiệu chung .................................................................................................. 28
2. Cấu tạo và tính năng ............................................................................................. 31
2.1 Nguồn tia x ......................................................................................................... 32
2.2 Bệ để mẫu .......................................................................................................... 32
2.3 Đầu thu ............................................................................................................... 33
2.4 Phần mềm .......................................................................................................... 35
2.5 Một số bộ phận khác ......................................................................................... 36
3. Nguyên lý hoạt động............................................................................................. 38
4. Kết quả đo mẫu nano tinh thể ZnS và ZnO ......................................................... 39
4.1 Tính chất và cấu trúc vật liệu ZnO ..................................................................... 39
4.2 Tính chất và cấu trúc vật liệu ZnS ...................................................................... 49
PHẦN KẾT LUẬN .................................................................................................. 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 53
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 54

GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

ii

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi


Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

PHẦN MỞ ĐẦU

1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
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. Kỹ
thuật nhiễu xạ tia X được dùng để phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu…
Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật người ta đã chế tạo ra những máy
nhiễu xạ tia X với độ phân giải cao xây dựng được thư viện đồ sộ về phổ nhiễu xạ của
các hợp chất cho nên chúng ta hiểu được cấu trúc của vật liệu và xâm nhập vào cấu trúc
tinh vi của mạng tinh thể đáp ứng yêu cầu trong các lĩnh vực nghiên cứu, trong công
nghiệp vật liệu, trong nghành vật lý, hóa học và các lĩnh vực khác. Máy nhiễu xạ tia X
D8- Advance là thiết bị nhiễu xạ tia X tiên tiến do hãng Bruker của Đức sản xuất. Nó
được kế thừa và bổ sung những tính năng ưu việt nhất, vượt qua các lần kiểm tra tiêu
chuẩn quốc tế nghiêm ngặt để trở thành thiết bị nhiễu xạ an toàn, thông minh,có tốc độ
xử lý nhanh và đáng tin cậy.
Là một sinh viên ngành Sư phạm Vật lý Công nghệ ngoài việc trang bị kiến thức
vật lý thì tôi cần phải nghiên cứu thêm những ứng dụng của vật lý trong thực tế đặc biệt
là trong kỹ thuật để phục vụ cho công tác giảng dạy sau này. Chính vì những lý do trên,
nên tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của máy nhiễu xạ tia X
D8-Advance” là luận văn tốt nghiệp của mình.

2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Tìm hiểu cấu tạo, tính năng, nguyên tắc hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8Advance và biết cách sử dụng máy để đo một số mẫu.

3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
Giới hiệu tổng quan về cấu trúc tinh thể, tia X và các phương pháp nhiễu xạ tia X.
Trình bày cấu tạo, tính năng, nguyên tắc hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 – Advance.
Ứng dụng máy để đo một số mẫu.

4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Phương pháp thực nghiệm

5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN
-

Nhận đề tài
Nghiên cứu lý thuyết
Viết đề cương
Tiến hành viết luận văn và làm thực nghiệm
Hoàn thành luận văn và báo cáo

GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

Trang 1

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi


Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

PHẦN NỘI DUNG
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ VÀ TIA X
1. TINH THỂ
1.1. Cấu tạo
1.1.1. Mạng không gian và ô cơ bản
Cấu trúc tinh thể là sự sắp xếp đặc biệt của các nguyên tử, ion hoặc phân tử trong
tinh thể. Một cấu trúc tinh thể gồm có một ô đơn vị và rất nhiều các nguyên tử sắp xếp
theo một cách đặc biệt, vị trí của chúng được lặp lại một cách tuần hoàn trong không gian
ba chiều theo một mạng Bravais. Tùy thuộc vào tính chất đối xứng của ô đơn vị tinh thể
đó thuộc vào một trong các nhóm không gian khác nhau. Vật rắn có cấu trúc tinh thể được
gọi là vật rắn tinh thể hay vật liệu tinh thể. Ví dụ về vật liệu tinh thể là kim loại, hợp kim

và một số vật liệu gốm...

(a)

(b)

Hình 1.1. (a) Mạng không gian của vật rắn tinh thể lý tưởng; (b) Ô đơn vị và hằng
số mạng.
Ô đơn vị (ô cơ bản ) một là cách sắp xếp của các nút mạng ( nguyên tử, phân tử hay

⃗𝑛
ion) trong không gian ba chiều, mỗi nút mạng được xác định bởi một vectơ 𝑅
⃗⃗⃗𝑅𝑛 = 𝑛1 𝑎 + 𝑛2 𝑏⃗ + 𝑛3 𝑐

(1.1)

Trong đó 𝑎 , 𝑏⃗ , 𝑐 là ba vector không nằm trong một mặt phẳng gọi là vectơ cơ sở
và 𝑛1 , 𝑛2 , 𝑛3 là các số nguyên. Ba vectơ cơ sở tạo thành hình hộp, hình hộp này chứa các
nút mạng trên đỉnh được gọi là ô đơn vị ( ô cơ sở ) nếu ta tịnh tiến ô đơn vị này theo phép
tịnh tiến 𝑅⃗𝑛 nó thì nó sẽ chiếm đầy trong không gian và sẽ tạo nên tinh thể. Cách sắp xếp
các nút mạng trong không gian ba chiều như vậy gọi là mạng không gian( hình 1.1a).[3]
Mỗi điểm hay nút mạng trong mạng không gian đều có sự bao vây giống nhau.
Trong tinh thể lý tưởng tập hợp các nút mạng quanh bất kì một nút đã cho nào cũng
GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

Trang 2

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi

Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

giống như tập hợp các nút mạng quanh một nút bất kì khác trong mạng tinh thể. Như vậy,
mỗi mạng không gian có thể được mô tả bởi các vị trí nguyên tử xác định trong một ô
đơn vị ( hay ô cơ bản ) lặp lại trong không gian, chiều dài a, b, c của 3 vectơ đơn vị này
và góc giữa chúng α, β,  được gọi là hằng số mạng.[9]
1.1.2. Hệ tinh thể và mạng Bravais
Hệ tinh thể là một nhóm điểm của các mạng tinh thể (tập hợp các phép đối xứng
quay và đối xứng phản xạ mà một điểm của mạng tinh thể không biến đối). Hệ tinh thể
không có các nguyên tử trong các ô đơn vị. Nó chỉ là những biểu diễn hình học mà thôi.[9]
Bằng cách ấn định các giá trị đặc biệt cho độ dài a,b, c và góc α, β,  có thể xây
dựng các kiểu ô đơn vị khác nhau. Khi quan tâm đến tính đối xứng của tinh thể các nhà
tinh thể học đã chỉ ra rằng chỉ cần bảy kiểu ô đơn vị khác nhau là có thể xây dựng được
các mạng điểm có thể. Trên cơ sở đó người ta phân tích các tinh thể như bảy hệ đã được
liệt kê trong bảng 1.1
Bảng 1.1. Phân loại mạng không gian theo hệ tinh thể. [6]
Hệ tinh thể

Đặc trưng hình học

Các kiểu mạng Bravais
Lập phương đơn giản

Lập phương

a = b = c, α = β =  = 900

Lập phương tâm khối
Lập phương tâm mặt

Bốn phương

a = b  c, α = β =  = 900

Bốn phương đơn giản
Bốn phương tâm khối
Trực thoi đơn giản

Trực thoi

a  b  c, α = β =  = 900

Trực thoi tâm khối
Trực thoi tâm mặt
Trực thoi tâm đáy

Ba phương

a = b = c, α = β =   900

Ba phương đơn giản

Sáu phương

a = b  c, α = β =900,  = 1200

Sáu phương đơn giản

Một nghiêng

a  b  c, α =  β

Ba nghiêng

a  b  c, α  β    900

GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

Trang 3

Một nghiêng đơn giản
Một nghiêng tâm đáy
Ba nghiêng đơn giản

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi


Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

Nhiều trong số bảy ô đơn vị có kiểu ô đơn vị khác nhau. Nếu chỉ khảo sát vị trí nút
mạng tinh thể mà không quan tâm đến tính đối xứng của các phần tử tại nút mạng, A.J
Bravais đã chứng minh được rằng 14 ô đơn vị chuẩn có thể mô tả được các mạng tinh
thể khác nhau thuộc bảy hệ nói trên. Đó là 14 kiểu mạng tinh thể Bravais,được minh họa
trong hình 1.2. Tất cả các mạng tinh thể của chất rắn đều biểu diễn bằng một trong 14
kiểu mạng Bravais. Có bốn kiểu ô đơn vị: (1) đơn giản ( nguyên thủy ), (2) tâm khối, (3)
tâm mặt, (4) tâm đáy.[4]

Hình 1.2. Mười bốn ô đơn vị mạng Bravais được nhóm theo hệ tinh thể. Các
chấm đen biểu thị các nút mạng khi được đặt trên mặt hoặc ở các góc chúng
cũng thuộc các ô đơn vị khác kề bên.

GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

Trang 4

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi


Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

Trong hệ lập phương có ba kiểu ô đơn vị: lập phương đơn giản, lập phương tâm
khối, lập phương tâm mặt. Trong hệ trực thoi có cả bốn kiểu. Trong hệ bốn phương chỉ
có 2 kiểu: đơn giản và tâm khối. Ô đơn vị của bốn phương tâm mặt không được đưa ra
đây nhưng có thể được xây dựng từ bốn ô đơn vị bốn phương tâm khối. Hệ một nghiêng
có ô đơn vị đơn giản và tâm đáy các hệ ba phương hay thoi, sáu phương và ba nghiêng
chỉ có một kiểu ô đơn vị đơn giản.
1.1.3. Sự đối xứng tinh thể
Phép biến đổi không gian làm cho mạng tinh thể trùng lại với chính nó được xem
là yếu tố đối xứng. Như vậy mạng tinh thể bao giờ cũng có tính đối xứng tịnh tiến, vì khi
tịnh tiến mạng tinh thể đó đi một vector R tinh thể sẽ trùng lại với chính nó. Ngoài ra
mạng tinh thể còn có sự đối xứng với các phép biến đổi không gian khác.[8]
Một trong phép biến đổi điển hình đó là phép quay quanh một trục hay gọi là đối
xứng trục. Nguyên tử hay phân tử a quay quanh trục L một gốc α bất kì tới vị trí nguyên
tử a’ nào đó. Khí đó chúng được gọi là đối xứng nhau qua trục L. Trục quay bậc n ( kí
hiệu Cn) là trục mà khi quay tinh thể quanh nó một góc αn = 2π/n sẽ làm cho tinh thể trùng
lại với chính nó. Người ta thấy rằng không tồn tại trục quay bậc 5, chỉ tồn tại trực quay
bậc 1, 2, 3, 4 và 6 ứng với các phép quay các góc 2π, π, 2π/3, π/2 và π/3.

Hình 1.3. Các yếu tố đối xứng đối với mạng tinh thể [8]
Mặt phẳng đối xứng: là phép phản xạ gương qua một mặt phẳng nào đó, thí dụ như
qua mặt phẳng xOy là phép biến đổi điểm M (x,y,z) thành điểm M’ (x,y,-z). Mặt phản xạ

gương được kí hiệu là m hoặc Cs.
Tâm đảo: là phép biến đổi gồm có phép quay một góc 1800 quanh một trục đi qua
tâm tiếp theo phép phản xạ gương qua mặt phẳng vuông góc với 2 trục đó. Kết quả là bán
kính vector r thành –r, chẳng hạn đối với gốc tọa độ O, là phép biến đổi điểm M(x,y,z)
GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

Trang 5

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi


Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

thành điểm M’(-x,-y,-z). Điểm O gọi là tâm nghịch đảo. Phép nghịch đảo được kí hiệu là
l hoặc Ci.
Ngoài các yếu tố đối xứng trên còn tồn tại các yếu tố đối xứng phức tạp hơn gồm hai
hay nhiều yếu tố đối xứng hơn như : trục quay chiếu gương, trục quay chiếu tâm, trục
xoắn, mặt ảnh trượt.[8]
1.2. Chỉ số Miller của mặt tinh thể
Để xác định các mặt phẳng tinh thể trong cấu trúc lập phương, người ta sử dụng chỉ
số Miller. Chỉ số Miller của mặt phẳng tinh thể được xác định là nghịch đảo giao điểm
phân số của mặt tinh thể cắt trên trục tinh thể x, y và z của ba cạnh không song song của
ô cơ bản. Cạnh lập phương của ô cơ bản được lấy làm đơn vị đo chiều dài và vị trí cắt của
của mặt tinh thể được đo theo thành phần của chiều dài đơn vị này. Chỉ số Miller được
xác định theo trình tự 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. Các số

này chính là chỉ số Miller, kí hiệu là h, k, l. Một bộ chỉ số (hkl) biểu diễn không
phải chỉ một mặt phẳng mà là biểu diễn một họ các mặt phẳng song song nhau.[1]
Ví dụ trong hình 1.4 giới thiệu ba mặt phẳng quan trọng nhất của cấu hình tinh thể
lập phương và hình 1.5 mô tả mặt tinh thể lập phương có tọa độ giao điểm phân số và đi
qua góc tọa độ. Tiến hành xác định chỉ số Miller theo các bước như trên đối với mặt tinh
thể ở hình 1.4b và 1.5a.

Hình 1.4. Chỉ sô Miller của một số mặt tinh thể lập phương quan trọng:
(a)(100), (b)(110), (c)(111)[4]

GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

Trang 6

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi


Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

Hình 1.5. (a) Mặt tinh thể lập phương có giao điểm phân số và ( b) mặt qua gốc
tọa độ các mặt có màu xám.[4]
Mặt tinh thể ở hình 1.4b được xác định như sau:
x

y

z

Tọa độ điểm cắt

1

1

∞

Lấy nghịch đảo

1

1

0

Triệt tiêu phân số

1

1

0

Do đó mặt này có chỉ số Miller là 110
Mặt tinh thể ở hình 1.5a được xác định như sau:
x

y

z

Tọa độ điểm cắt

1/3

2/3

1

Lấy nghịch đảo

3

3/2

1

Triệt tiêu phân số

6

3

2

Vậy chỉ số Miller của mặt này là (632)
Thực hiện tương tự ta nhận đựơc chỉ số Miller của mặt phẳng 1.4(a) và 1.4(c) là
(100) và (111). Nếu mặt phẳng tinh thể quan tâm đi qua gốc tọa độ thì mặt phẳng phải
được dịch chuyển tới vị trí tương đương trong ô cơ bản và nó phải song song với mặt ban
đầu. Điều này có thể thực hiện được là do các mặt song song tương đương đều được kí
hiệu với các chỉ số Miller giống nhau. Theo cách này thì chỉ số Miller của mặt ở hình

1.5(b) là (010). Tập hợp các mặt phẳng liên quan nhau bởi tính đối xứng của hệ tinh thể
thì chúng được gọi là họ mặt hay dạng mặt. Chỉ số Miller của một mặt nằm trong họ mặt
GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

Trang 7

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi


Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

được đặt trong dấu móc {ℎ𝑘𝑙} , ví dụ như chỉ số Miller của các mặt lập phương (100),
(010), (001) là kí hiệu của họ mặt {100}[4]
Trong cấu trúc tinh thể lập phương khoảng cách giữa các mặt phẳng song song gần
nhau nhất có cùng chỉ số Miller được kí hiệu là d hkl , trong đó h,k l là chỉ số Miller của
các mặt. Khoảng cách này biểu thị khoảng cách từ góc tọa độ được chọn chứa một mặt
và và mặt song song kia có cùng chỉ số ở gần nó nhất. Ví dụ khoảng cách giữa mặt (110)1
và (110)2 là d110 và chính là độ dài AB. Khoảng cách giữa mặt (110)2 và (110)3 là d110 và
bằng độ dài BC.[4]
Từ hình học ta có thể thấy rằng khoảng cách dhkl gữa các mặt lân cận song song
trong tinh thể lập phương là:
1
2

dhkl

=

2

2

h +k +l
a2

2

(1.2)

Với a là độ dài vectơ cơ sở của mạng lập phương (còn gọi là hằng số mạng). Tương
tự như vậy ta cũng có thể thiết lập công thức tính khoảng cách dhkl cho các hệ tinh thể
khác được trình bày ở bảng 1.2.

Hình 1.6. Hình ô cơ bản lập phương nhìn từ trên xuống cho thấy khoảng cách
giữa các mặt phẳng (110), d 110 [4]
Các mặt phẳng (hkl) và (nh nk nl) song song nhau với n là số nguyên, nhưng khoảng
cách mặt phẳng của các mặt (nh nk nl) bằng 1/n khoảng cách của các mặt (hkl)
GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

Trang 8

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi


Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

Bảng 1.2 Công thức tính khoảng d hkl cách giữa các mặt lân cận phẳng tinh thể của
các hệ tinh thể. [6]
Hệ tinh thể

dhkl

Hệ trực thoi:

−1/2
1
2
2
2
[ 2 (ℎ + 𝑘 + 𝑙 )]
𝑎

Hệ bốn phương:

ℎ 2 + 𝑘 2 𝑙2
+ 2]
[
𝑎2
𝑐

Hệ trực thoi

ℎ 2 𝑘 2 𝑙2
[ 2 + 2 + 2]
𝑎
𝑏
𝑐

Hệ một nghiêng

ℎ 2 𝑙2
2ℎ𝑙𝑐𝑜𝑠𝛽
+ 2−
𝑘2
2
𝑎𝑐
𝑎
𝑐
[
+ 2]
𝑠𝑖𝑛 2 𝛽
𝑏

−1/2

−1/2

−1/2

h2 2
k2 2
l2
2hk
2
2 sin α + b 2 sin β + c 2 sin γ + ab (cosαcosβ − cosγ)
a
[
]
1 − cos2 α − cos2 β − cos2 γ − 2cosαcosβcosγ
Hệ ba nghiêng

Hệ sáu phương

−1/2

−1/2
2kl
2hl
(cosβcosγ − cosα) +
(cosγcosα − cosβ)
ca
+ [ bc
]
1 − cos2 α − cos2 β − cos2 γ − 2cosαcosβcosγ

4
𝑙2
[ 2 (ℎ2 + ℎ𝑘 + 𝑘 2 ) + 2 ]
3𝑎
𝑐

−1/2

1.3. Mạng đảo
Mặt phẳng trong không gian thực có thể biểu diễn bằng một nút mạng trong không
gian đảo. Ô cơ bản của mạng đảo được xác định bởi các vectơ a*, b* và c* thõa mãn hệ
thức sau:
𝑎∗ . 𝑎 = 𝑏 ∗ 𝑏 = 𝑐 ∗ 𝑐 = 1
(1.3)
𝑎∗ . 𝑏 = 𝑏 ∗ 𝑐 = 𝑐 ∗ 𝑎 = 0

Trong đó a, b, c là các vectơ đơn vị trong tinh thể. Điều đó có nghĩa vec tơ a* vuông
góc với b và c, tức vuông góc với mặt phẳng chứa b và c. Tương tự như thế cho vectơ b*
và c*. Bởi vậy nếu vectơ a không vuông góc với b và c thì a* không song song với a,
nhưng đối với trục trực giao ta có:
a*//a, b*//b, c*//c và |a*| = 1/|a|, |b*| =1/|b|, c*=1/|c|
GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

Trang 9

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi


Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

Nếu mạng R là đảo so với mạng L thì L là mạng đảo so với mạng R. Dễ dạng thấy
rằng:|a∗ | =

b×c

c×a

a×b

Vc

Vc

Vc

, |b∗ | =

,|c ∗ | =

(1.4)

trong đó Vc là thể tích ô cơ bản mạng tinh thể Vc = a(b × c) = b(c × a) = c(a × b) [4]
Mạng đảo có tính chất sau:
 Mỗi nút mạng đảo tương ứng với một mặt (hkl) của tinh thể.
⃗⃗⃗⃗∗ + lc⃗⃗⃗∗ vuông góc với mặt phẳng mạng (hkl) của
 Vectơ mạng đảo g⃗ hkl = ha⃗⃗⃗∗ + kb
mạng tinh thể và g hkl =

1
dhkl

. Trong đó dhkl là khoảng cách giữa các mặt phẳng

(hkl) trong mạng tinh thể.
 Các nút mạng đảo tương ứng với các mặt phẳng với chỉ số Miller h k l và cả các
mặt phẳng với chỉ số nh nk nl trong đó n= 1,2,3,4.. là những mặt cùng tham gia
vào sự nhiễu xạ. Mạng đảo xác định một khoảng cách vị trí mạng có khả năng dẫn
đến sự nhiễu xạ.[4]
Mạng đảo giúp dự đoán sự nhiễu xạ tia X bằng phương pháp xây dựng mặt cầu
Ewald. Cho tia X đi qua gốc tọa độ của không gian thực và không gian đảo, sau đó vẽ
mặt cầu Ewald có bán kính 1/λ (λ là bước sóng tia X ) và tâm nằm trên gốc tọa độ ở vị
trí sao cho mặt cầu đi qua gốc tọa độ. Nhiễu xạ tia X xảy ra khi mặt cầu Ewald cắt nút
mạng đảo. khi đó,hướng của tia nhiễu xạ được xác định bởi vector k 1 xuất phát từ tâm C
của mặt cầu Ewald đến điểm P thõa mãn phương trình:
g = k1-k0

(1.5)

trong đó g là vector mạng đảo tương ứng với mặt phản xạ, k 0 là vector sóng tới, k1 là
vector sóng nhiễu xạ . Tất cả nút đảo nằm trên mặt cầu Ewalt đều cho hướng nhiễu xạ có
thể có: k1, k1’, k1’’. Mặt cầu bán kính 2/λ gọi là mặt cầu giới hạn bởi vì không tồn tại nút
mạng đảo nằm ngoài mặt cầu này cắt mặt cầu Ewald gây ra sự nhiễu xạ tia X.
Mỗi cấu trúc tinh thể có hai mạng liên hợp với nó, mạng tinh thể và mạng đảo và
ảnh nhiễu xạ của tinh thể là một bức tranh mạng đảo của tinh thể.[4]
1.4. Sai lệch mạng tinh thể
Trong thực thế tinh thể không bao giờ hoàn chỉnh mà chứa các dạng không hoàn
chỉnh và khuyết tật khác nhau. Các loại sai hỏng này ảnh hưởng đến các tính chất cơ học
và vật lý của tinh thể. Sai lệch mạng tinh thể được phân loại theo hình học và hình dạng
của chúng. Ba loại sai hỏng chính là: (1) khuyết tật điểm không chiều, (2) khuyết tật điểm
một chiều (lệch ) và (3) khuyết tật hai chiều bao gồm mặt ngoài và biên hạt bên trong.
Khuyết tật khối hay khuyết tật lớn ba chiều cũng có thể được coi là loại thứ ba này, thí
dụ, lỗ xốp, vết nứt và hạt lẫn. [ 4]
1.4.1 Khuyết tật điểm

GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

Trang 10

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi


Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

Khuyết tật điểm đơn giản nhất là nút khuyết (vacancy ), đó là vị trí khuyết tật nguyên
tử, hình 1.7 (a). Nút khuyết có thể được tạo ra trong quá trình đóng rắn do sự nhiễu loạn
địa phương trong khi phát triển tinh thể hoặc có thể được sinh ra bởi sự sắp xếp lại nguyên

tử trong tinh thể do tính linh động nguyên tử. Nút khuyết trong kim loại có thể được tạo
thành bởi sự biến dạng đàn hồi, nguội nhanh từ nhiệt độ cao xuống nhiệt độ thấp để bẫy
các nút khuyết và bởi bắn phá bằng các hạt năng lượng cao như nơtron.[4]
Loại khuyết tật điểm thứ 2 là khuyết tật ngoài nút hay nguyên tử xen kẽ. Các khuyết
tật đó thường không tự sinh ra trong tự nhiên vì chúng sẽ tạo nên sai lệch cấu trúc nhưng
chúng có thể được tạo thành bởi sự chiếu xạ.
Trong tinh thể ion khuyết tật điểm là phức tạp hơn do phải duy trì tính trung hòa
điện. Khi hai ion trái dấu mất đi từ tinh thể ion thì nút khuyết đôi cation – anion được tạo
thành và gọi là khuyết tật Schottky, hình 1.7(c). Nếu cation dương di chuyển tới vị trí
ngoài nút trong tinh thể thì nút khuyết cation được hình thành tại vị trí ion thông thường.
Cặp nút khuyết ngoài này được gọi là khuyết tật Frenkel, hình 1.7c. Sự có mặt của các
khuyết tật này làm tăng tính dẫn điện của tinh thể ion.[4 ]

Hình 1.7. (a) khuyết tật nút khuyết, (b) khuyết tật ngoài nút nguyên tử xen kẽ. (c)
nút khuyết đôi cation-anion( khuyết tật Schottky ) và nút khuyết cation (khuyết tật
Frenkel) trong mạng hai chiều tinh thể ion.[4]
1.4.2 Khuyết tật đường - Lệch
Sai hỏng đường hay còn gọi là lệch (dislocation) trong vật rắn tinh thể là khuyết tật
tạo nên sai lệch mạng xung quanh một đường gọi là đường lệch hay trục lệch. Lệch được
tạo thành trong quá trình hóa rắn của vật rắn tinh thể. Chúng cũng được sinh ra bởi biến
dạng thường xuyên hoặc biến đàn hồi của vật rắn tinh thể, bởi sự tập trung nút khuyết và
bởi sự không phù hợp nguyên tử trong dung dịch rắn. Hai loại chính của lệch là lệch xoắn
và lệch biên. Tổ hợp hai loại này cho ta lệch hỗn hợp gồm cả hai thành phần biên và xoắn.
GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

Trang 11

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi

Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

Lệch biên tạo thành trong tinh thể do chèn thêm vào mạng tinh thể lý tưởng một nữa
mặt nguyên tử phía trên. Khoảng dịch chuyển quanh lệch được gọi là vector trược 𝑏⃗
vuông góc với đường lệch biên, hình 1.7b. Lệch là khuyết tật không cân bằng và dự trữ
năng lượng trong miền biến dạng của mạng tinh thể xung quanh lệch. Lệch biên có khu
vực biến dạng nén trong phần chứa nửa mặt phẳng chèn thêm và miền biến dạng kéo ở
phía dưới nửa mặt phẳng nguyên tử này.
Lệch xoắn có thể được hình thành trong tinh thể hoàn chỉnh bằng cách tác dụng ứng
suất trược lên và xuống vào các miền của tinh thể hoàn chỉnh được tách ra bởi một mặt
phẳng cắt sao cho các nguyên tử mặt ngoài xê dịch một đoạn đúng bằng hằng số mạng
theo đường lệch.
1.5.3 Khuyết tật mặt (biên hạt )
Khuyết tật mặt là sai lệch mặt trong vật liệu đa tinh thể gồm nhiều hạt với định
hướng tinh thể khác nhau. Trong kim loại, các biên hạt được tạo thành trong quá trình
hóa rắn khi kim loại hình thành từ các mầm tinh thể khác nhau phát triển đồng thời và
tiếp xúc nhau. Bản thân biên hạt là một miền hẹp giữ hai hạt và là miền hỗn độn nguyên
tử giữa các hạt kế cận do đó ở biên hạt các nguyên tử không được sắp xếp chặt chẽ.

Hình 1.8. (a) Hình phối cảnh chỉ rõ vị trí xung quanh lệch biên, (b) hướng của
vector trược 𝑏⃗.[4]

2. TỔNG QUAN VỀ TIA X
2. 1 Sự tìm ra tia X
Ngày 08/01/1895 Ronghen vô tình phát hiện ra vệt sáng màu xanh lục trên lớp huỳnh
quang Bari platinat đặt trước ống catot. Sau đó ông tiến hành các thí nghiệm với ống catot
và một số vật liệu rắn khác, qua nhiều lần làm đi làm lại thí nghiệm ông rút ra kết luận tia
đặc biệt này có thể đâm xuyên qua giấy, gỗ, phần mềm cơ thể,… nhưng không qua được
kim loại, không xuyên qua được một số bộ phận của cơ thể, nhất là những bộ phận có
chứa các nguyên tố nặng như xương. Mặt khác, nó không bị ảnh hưởng bởi từ trường hay

điện trường, nó ion hóa không khí và tác dụng lên kính ảnh. Từ đó ông gọi tia đặc biệt
GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

Trang 12

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi


Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

này là tia X, Ronghen đã phát hiện tia X chính là ở chỗ có chùm electron đập vào. Từ đó,
ông chế tạo ra được một thiết bị phát ra chùm tia X mạnh mà ngày nay ta gọi là bóng phát
tia X hay bóng phát tia Ronghen. Năm 1901 ông trở thành người đầu tiên đạt giải Nobel
Vật lí vì tìm ra tia X.
Tiếp theo các nghiên cứu của Ronghen, năm 1914 M. Von Laue nhận giải Nobel
Vật lí vì khám phá ra nhiễu xạ tia X bởi tinh thể. Năm 1915 William Henry Bragg và
William Lawrence Bragg nhận giải Nobel Vật lí về nghiên cứu cấu trúc tinh thể bằng tia
X. Từ các nghiên cứu về tia X người ta đã tìm ra các tính chất đặc biệt của tia X.
2. 2 Các tính chất của tia X.
Tia X hay X quang hay tia Ronghen là một dạng của sóng điện từ có năng lượng
cao trong khoảng từ 200 eV đến 1 MeV, bước sóng từ 1016Hz- 1020 Hz, nó có bước sóng
trong khoảng từ 0,01 nm đến 1 nm Bước sóng của nó ngắn hơn tia tử ngoại nhưng dài
hơn tia Gamma. Những tia X có bước sóng từ 0,01 nm đến 0,1 nm có tính đâm xuyên
mạnh hơn nên gọi là tia X cứng. Những tia X có bước sóng từ 0,1 nm đến 1 nm có tính
đâm xuyên yếu hơn nên gọi là tia X mềm.

Hình 1.9. Thang sóng điện từ[10]
Các tính chất của tia X







Khả năng đâm xuyên mạnh.
Gây hiện tượng phát quang 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.

Khi cho chùm tia X có bước sóng λ0 và cường độ I0 đi qua một lớp vật chất đồng
nhất, đẳng hướng có bề dày l thì cường độ của nó sẽ bị suy giảm thì một phần năng lượng
GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

Trang 13

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi


Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

của nó sẽ bị mất đi do nhiễu xạ và một phần do bị hấp thụ. Cường độ của chùm tia X bị
suy giảm tuân theo định luật Beer:[6]
𝐼 = 𝐼0 𝑒 −𝜇𝑙𝜌

(1.6)

Ở đây: I0 là cường độ tia X tới
I là cường độ tia X sau khi đi qua vật chất
l là chiều dày của lớp vật liệu

ρ là mật độ chất hấp thụ
µ là hệ số hấp thụ khối
2. 3 Cách tạo ra 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 quá trình tương tác giữa bức xạ  với vật chất. Thông thường để tạo ra
tia X người ta sử dụng electron vì để gia tốc electron đòi hỏi điện thế nhỏ hơn so với
trường hợp dùng các hạt mang điện khác. Để có tia X với bước sóng cực ngắn công suất
lớn có thể sử dụng Bêtatron. Trong một số trường hợp nghiên cứu cấu trúc bằng tia
Rongen người ta còn sử dụng các nguồn đồng vị phóng xạ.

Hình 1.10 Hình vẽ mặt cắt cấu tạo của ống phát tia X
Tia X được tạo ra trong ống phát Rongen thường làm bằng thủy tinh hay thạch anh
có độ chân không cao, trong đó có hai điện cực catot bằng vomfam hay bạch kim sẽ phát
ra electron. Anot được chế tạo từ các kim loại khác nhau tùy vào chùm tia X phát ra năng
lượng khác nhau. Một số kim loại thường dùng làm anot là: đồng (Cu), molipden (Mo),
bạc (Ag), sắt (Fe), crom(Cr), coban (Co)…Các electron được tạo ra do nung nóng catot.
Giữa catot và anot có một điện áp cao nên các electron được tăng tốc với tốc độ lớn tới
đập vào anot. Catot có điện áp âm cao và các điện tử được tăng tốc về phía anot thường
nối đất các electron với vận tốc lớn tới đập vào anot. Sự tổn hao năng lượng của electron
do va chạm với anot kim loại được chuyển thành tia X.
GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

Trang 14

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi


Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

Nếu electron tới có năng lượng đủ lớn làm bức ra các electron ở lớp bên trong

nguyên tử của anot thì nguyên tử sẽ ở trạng thái kích thích với một lỗ trống trong lớp
electron. Khi lỗ trống đó được lấp đầy bởi một electron ở lớp bên ngoài thì photon tia X
với năng lượng bằng hiệu các mức năng lượng electron được phát ra.[1]

∆E = En1 –En2

(1.7)

Trong đó En1 ,En2 là năng lượng của electron ở lớp n1,n2.

Hình 1.11. Minh họa quá trình ion hóa lớp trong và phát xạ tia X đặc trưng.[4]
Quan sát phổ tia X của molipden trong hình 1.12 ta thấy phổ bao gồm một dãy bước
sóng. Với mỗi thế tăng tốc - thế đặt giữa anot và catot, ta thu được một phổ tia X liên tục
gồm nhiều bước sóng khác nhau. Phổ liên tục là do các electron mất năng lượng trong
một loạt va chạm với các nguyên tử anot. Vì mỗi electron mất năng lượng của nó theo
một cách khác nhau nên phổ năng lượng liên tục hay các bước sóng tia X được tạo thành.
Thường ta không sử dụng phổ liên tục trừ khi yêu cầu các bước sóng khác nhau trong
thực nghiệm. Ví dụ như trong phương pháp Laue để nghiên cứu đơn tinh thể [1]
Nếu toàn bộ năng lượng của electron được chuyển thành năng lượng của photon tia
X thì năng lượng photon tia X được liên hệ với điện thế kích thích U theo hệ thức:
E=

hc
hc
= eV ⟹ λ =
λ
eV

(1.8)

Khi đó photon tia X có năng lượng lớn nhất hay bước sóng ngắn nhất. Bước sóng
này được gọi là giới hạn sóng ngắn ( SWL) . Thay các giá trị hằng số h, c và e và với thế
tăng tốc V có đơn vị kV ta sẽ tính được giới hạn sóng ngắn.
λSWL =

GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

1,243
(nm)
V

Trang 15

(1.9)

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi


Luận văn đại học Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nhiễu xạ tia X D8 Advance

Vạch đặc trưng sẽ có bước sóng dài hơn so với  SWL. Thế tăng tốc cần để tạo ra tia
X có bước sóng tương đương với khoảng cách giữa các nguyên tử là cỡ 10 kV. Thế tăng
tốc cao hơn thường được sử dụng để tạo ra phổ vạch cường độ lớn hơn đặc trưng cho kim
loại bia. Sử dụng thế tăng tốc cao hơn sẽ làm thay đổi giá trị giới hạn bước sóng  SWL
nhưng không làm thay đổi giá trị bước sóng đặc trưng. [4]

Hình 1.12. Sơ đồ phổ tia X của Molipden với thế tăng tốc khác nhau [4]
Thực tế, chỉ khoảng 1% năng lượng của tia electron được chuyển thành tia X, phần
lớn bị tiêu tán dưới dạng nhiệt làm anot nóng lên và người ta phải làm nguội anot bằng
nước.Ta có:

2π2 me 𝑒 4 F2
1
ΔE = hf =
(
)
h2
n12 − n22

(1.10)

Với me : khối lượng tĩnh của electron
e: điện tích của electron
F: điện tích hạt nhân hiệu dụng tác dụng lên electron và F=Z-,  là hệ số chắn.
n1, n2 : các số lượng tử chính ( n1f

1

c

λ

Chú ý rằng: =
Ta có:

1
λ

với c là vận tốc ánh sáng

= R(Z − σ)2 (

1

n21 −n22

)

(1.11)

Với R: hằng số Rydberg (109737) và Z: điện tích hạt nhân của kim loại dùng làm đối
catot.
Như ta thấy trong hình 1.12 có nhiều hơn một vạch đặc trưng. Các vạch đặc trưng
khác nhau tương ứng với các dịch chuyển điện tử giữ các mức năng lượng khác nhau.
GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn

Trang 16

SVTH: Nguyễn Thị Diễm Thi