BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHAM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ Care LUAN YAN TỐT ÑGHIỆP Dé tai: Kudo gir HIỂU UNG MATRIN Giáohướng viên dẫn : Thầy TA HUNG QUÝ Thạc Si TRAN PHONG DUNG Sinh viên thực hiện : HUYNH ĐÌNH THẢO TRANG NIÊN KHÓA 1997 - 2001 Em xin chin lhanh cim on! % Ban Gaim hiéu Suing tà Ban chi nhiém Khoa Val Sy dé che phép va lac dieu kién dé em hire hin tin ran./2, kd HUNG 2UY vi Thae ví TRAN PHONG SUNG da lin linh hiting din ra yp, deem tang thet yan him đưện van. “8 Joan thé Shiy, Cé Khoa Val Vy da tiuyén thu Xứ: (huâc che em bong suél thet gian hee hip. eG ting lil cả các tan dé ding vién, gttifp de (v “hoàn (hàn luin ran HAY.Đ+2 /MỬ PAU Zật lý hạt nhân là một trong những mùi nhọn của ngành vật lý hiện đại với rất nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế.
Một trong những ứng dụng đó là cung cấp một số phương pháp vật lý cho việc phân tích định tính cũng như định lượng các nguyên tổ, tiêu biểu là phương pháp huỳnh quang tia X, là phương pháp di được hình thành và phát triển khá sớm. Cho đến nay. phương pháp này vẫn chứng tỏ là một phương pháp hữu hiệu với những ưu điểm vượt trội như : sự dun giản, không phá hủy mẫu, thời gian phân tích ngắn ma kết quả phan tích lại rất chính vac và đặc biệt là hiệu quả kinh tế cao. Do đó, phương pháp này ngày càng được sử dung rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, sinh học.
khảo cổ hoe hội họa, môi trường.Zay nhiên, ở hiện tại và cả trong tương lai, yêu cầu cuộc sống càng cao, máy móc ngày càng hiện đại. nên đòi hỏi phải đạt được một kết quá phân tích chính xác nhất. Do đó, luận van này dé cập đến những vấn dé sau : - Những quá trình vật lý xảy ra bên trong môi trường vật chất khi tia X đi vào. - Giới thiệu các hiệu ứng xảy ra giữa các nguyên tố trong mẫu phân tích.
- Đưa ra một vài phương pháp hiệu chỉnh những tương tác này.Zfong phạm vi của một luận văn tốt nghiệp cộng với những hạn chế vẻ thời gian, điều kiện thực nghiệm và việc nghiên cứu chưa thật hoàn hảo. không tránh khỏi những thiếu sót, do đó rất mong nhân được sự quan tâm, đóng góp ý kiến của Thầy. Cô và các ban! CHUONG I GIO THIEU TIA X SƠ LƯỢC TIA %. ARE TƯƠNG TAC CƠ BẢN CUA TIA YỚI YAT CHAT.
QUA TRINH PHAT XA. LÝ THUYẾT PHAT XA HUYNH QUANG TIA 4. [ bie“viên ¢ Suibs aoe [ess Resid J LUAN, VAN TOT NGHIEP SƠ LƯỢC TIA X 1. BỨC XA ĐIỆN TỪ : Bức xạ điện từ là một dạng năng lượng truyền đi trong không gian và có thể tương tác với các nguyên tử hoặc phân tử để biến đổi trạng thái năng lượng của chúng.
Bản chất của bức xạ điện từ được giải thích bằng việc kết hợp hai lý thuyết : - Thuyết sóng : mô tả tính chất sóng của bức xạ điện từ biếu hiện thông qua các hiện tượng khúc xạ, phản xạ, tấn xạ. Trong đó bức xạ điện từ được biết đến như một dạng năng lượng có được từ việc hợp nhất hai sóng trực giao có cùng tan số vàbước sóng : một là điện trường đao động, một là từ trường dao động, từ đó mà xuất hiện thuật ngữ bức xạ điện từ. Cũng theo thuyết này cho rằng tích số của tần số và bước sóng của bức xạ tương đương với vận tốc truyền sóng, điểu này được thể hiện qua phương trình : Axvec (1.1) c : vận tốc truyén sóng trong chân không ( 3. - Thuyết lượng tử : bổ sung cho bức xạ điện từ tính chất năng lượng của bức xạ điện từ, được tìm thấy tỷ lệ với tần số: E=hxv (1.2) h : Hằng số Plank (6,6 .2) suy ra : E =hxVv = hxc/A (1.3) Thay các giá trị h và c ta được : E = 12,369 (keV) (1.4) thể hiện mối quan hệ giữa năng lượng của lượng tử photon với bước sóng của bức xạ điện từ tương ứng.2 BỨC XA TIA X: Tia X cũng là một bức xạ điện nên nó có day đủ những tính chất cơ ban của bức xạ điện từ như phản xạ, nhiễu xạ, khuyếch tán và tán xạ.
Tia X có bước sóng rất ngắn, trong khoảng từ 0,1 ® đến 100 ® va được phân thành 2 lọai : e Tia X cứng : bước sóng từ 0,1 ® đến 1 @®. e® Tia X mềm: bước sóng từ 1 ® đến 100 @. Bức xạ tia X được phát sinh do sự hãm đột ngột điện tử có năng lượng cao hay bởi sự dịch chuyển điện tử từ quỹ đạo cao sang quỹ đạo thấp trong nguyên tử. Từ đó ta thu được phố tia X gồm 2 phan: SƠ LƯỢC TIA X + Bức xạ liên tục (còn gọi là bức xạ hãm).
+ Bức xạ đặc trưng.1 Bức xa liên tục : Sự bức xa tia X với dạng hàm trơn và liên tục của cường độ ứng với năng lượng được gọi là bức xa hăm hay bức xa liên tục. Bức xạ này là kết quả của sự giảm tốc khi các clecưon năng lượng cao đập vào bia. Các electron xem nguyên tố bia như là một hệ thống phân bố của các clectron quỹ đạo với các năng lượng khác nhau. Khi đập vào bia, electron sẽ tương tác với clectron quỳ đạo liên kết chặt hoặc yếu và một phần động năng của nó sẽ biến thành bức xạ.
Tính liên tục của bức xạ điện từ được hiểu theo quan điểm của thuyết điện từ : khi electron năng lượng cao bị giảm tốc đột ngột sẽ tạo ra quanh nó một trường điện từ lan truyén trong không gian theo thời gian tạo nên phổ liên tục, Cường độ bức xạ phát ra sẽ phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Xác suất để electron đập vào tương tác với clectron quỹ đạo của nguyên tố bia sẽ tăng theo bậc số nguyên tử của nguyên tố. Do vậy cường độ của bức xạ liên tục sẽ tăng theo bậc số nguyên tử của nguyên tố bia, - Khả năng dé các electron đập vào tương tác với các electron liên kết chặt trong bia sẽ tăng theo động năng của clectưon bắn phá, mà động năng của clectron tới sẽ tăng cùng với sự tăng của thế gia tốc nên cường độ phân tích của bức xạ sẽ tăng theo thế gia tốc electron V (kV). Từ đó ta có các phương trình định lượng : lạ = Kj Z (/Ams— 1) ÀŸ (1.6) Chú ý rằng các phương trình (1.6) chi là các phương trình gân đúng vì chưa tính đến sự hấp thụ tia X của chất liệu bia hoặc chất liệu làm cửa sổ trong ống tia X va detector. Bức xa đặc trưng : Không phải mọi tương tấc của clectron tới và clectron quỹ đạo của nguyên tố bia đều gây ra sự nhiễu loạn quỹ đạo clectron trong nguyên tử của nguyên tố bia.
Sự nhiễu loan này bat nguồn từ sự kiện một số tương tác có khả năng làm bật một vài clecưon ra khỏi nguyên tử để lại trên quỹ đạo của nó các lỗ trống. Khi đó các nguyên tử ở trạng thái không bên, trạng thái này sẽ nhanh chóng mất đi khi các electron ở các quỹ đạo bên ngoài (năng lượng lớn hơn) di chuyển về lấp đây các lỗ trống. Sự dịch chuyến của các electron từ mức năng LUAN VAN TỐT NGHIEP Frang 3 SƠ LƯỢC TIA X ee lượng cao về lấp đầy các lỗ trống ở mức năng lượng thấp hơn thường kèm theo sự phát các bức xạ có tần số v được tính theo hệ thức Einstcin : E, -E;=hxv=h.7) Rõ ràng, năng lượng của bức xạ phát ra này phụ thuộc vào sự phân bố năng lượng của các electron quỹ đạo trong nguyên tử của nguyên tố bia tức là đặc trưng cho nguyên tố đó nên được gọi là bức xạ đặc trưng. Moseley đã tìm ra biểu thức liên quan giữa tin số (bước sóng) của vạch đặc trưng và bậc số Z của nguyên tố như sau : U =Reol =R„(Z-aj|4-4] " = (1.8 Đối với vạch K thì : u„=R(Z-1 Ì|-2| (1.9) Đối với vạch L thi: u.10) Đối với vạch M thì : u.-RZ-8j|3-2 (11) Phổ của bức xạ đặc trưng là những vạch đặc trưng phát ra dọc theo phổ liên tục của bức xạ liên tục.
Tuy nhiên, nếu sự chuyển mức của electron xảy ra đối với các quỹ đạo ở bên ngoài thì năng lượng của quỹ đạo phát ra là thấp (do độ chênh lệch năng lượng giữa các mức nhỏ) và khi đó phổ của bức xạ đặc trưng sẽ nằm trong vùng khả kiến và tử ngọai, được gọi là phổ quang học. Việc phân tích phổ này là rất phức tap vì tại đó xảy ra sự chồng chập các vạch, Khi các electron chuyển mức về lấp day các lỗ trống các lớp K, L, M thì sẽ xuất hiện các bức xạ đặc trưng với năng lượng lớn va tạo thành phổ tia X. Như vậy phổ tia X chính là phổ nguyên tử vì nó mang tính đơn trị và đặc trưng cho từng nguyên tử. LUAN VAN TOT NGHIEP Trang 4 SƠ LƯỢC TIA X II.
TƯƠNG TÁC CƠ BẢN CỦA TIA X VỚI VẬT CHẤT: Khi chùm tia X đi qua môi trường vật chất, một số photon sẽ tương tác với hệ nguyên tử của môi trường vật chất, hai quá trình tương tác cơ bản là : - sự hấp thụ.1 SỰ HAP THY TIA X : 2.1 Hiệu ứng quang điện : Hiệu ứng quang điện là một trong những hiệu ứng quan trọng nhất, đóng góp phan lớn vào sự hấp thụ tia X từ các nguyên tố mẫu. Trong hiệu ứng này, ta thấy có sự hấp thụ toàn bộ năng lượng của hạt photon tới khi nó đập vào một clectron liên kết. Tuy nhiên diéu này chỉ xảy ra đối với các photon có năng lượng E lớn hơn năng lượng liên kết 6 của clcctron. Khi đó, photon sẽ biến mất va năng lượng của nó sẽ được truyền cho electron liên kết để clectron bức ra khỏi ting của nó với năng lượng (E- $), electron bức ra được gọi là quang clectron, Ngoài việc phát quang clcctron, trong hiệu ứng quang điện còn xuất hiện các trạng thái không bén của nguyên tử.
Các trang thái này được đặc trưng bởi các lỗ trống xuất hiện trong nguyên tử sau khi các electron bức ra khỏi quỹ đạo của nó. Sau một khoảng thời gian rất ngắn, trạng thái không bền này sẽ mất đi do các electron từ các tầng có năng lượng liên kết thấp hơn chuyển về lấp đây lỗ trống. Sự dich chuyển này kèm theo sự phát một photon tia X đặc trưng của nguyên tử, năng lượng của tia X phát ra sẽ bằng độ chênh lệch năng lượng giữa hai tầng quỹ đạo điện tử trong nguyên tử.