Chương 1: Cơ Sở Lý Thuyết.1: Gíới Thiệu Sơ Lược Về Tia X.2: Các Tương Tác Cơ Bản Của Tia X Với Vật Chất.3: Các Qua Trình Xảy Ra Huỳnh Quang Tia X.4: Quá Trình Phát Xa.5: Cường Độ Huỳnh Quang Thứ Cấp. Chương 2: Các Phương Pháp Phân Tích Huỳnh Quang.1: Phương Pháp Phân Tích Định Tính.2: Phương Pháp Phân Tích Định Lượng. Chương 3: Các Nguyên Tố Có Trong Đất. LOO EL or Crore CƠ SỞ LÝ THUYẾT SEGH: Or4n €4j Bim Hyin CHUONG I CƠ SỞ LÝ THUYET 1.1 Giải Thiệu Sơ Lược Vệ Tia X: Vào năm 1895 trong khi nghiên cứu các tia cathod, Wilhelm Conrad Reontgen đã khám phá ra được tia X.
Tia X là bức xạ điện từ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Bước sóng của nó nằm trong khoảng từ 0.1 A’ đến 100 AP và có năng lượng từ | > 100 KeV, © Tia X có bước sóng từ | A" đến 100 A" được gọi là tia X mềm. © Tia X có bước sóng ti 0,1 A° đến 1 A° được gọi là tia X cứng. Tia X là một dạng của sóng điện từ nên có các tính chất cơ bản của bức xạ điện từ như phản xa, nhiễu xa, khuyếch đại và tán xạ.
Tia X được tạo ra do sự hãm đột ngột điện tử có năng lượng cao hay bởi sự dich chuyển điện tử từ quỹ đạo cao sang quỹ đạo thấp trong nguyên tử. Phương pháp phổ biến nhất để sản sinh ra tia X là ban vào nguyên tử bia chùm electron có năng lượng cao, hoặc tia X, tia y. ® Có hai loại bức xạ ta X : Bức xa này được tạo ra do sự hãm đột ngột electron có năng lượng cao đến đập vào bia. Một phan năng lượng sẽ tương tác với các electron quỹ đạo và phần còn lại phát ra dưới dạng bức xạ có năng lượng : c 1 E, h—=E,-E (1.1) Bức xạ phát ra có đạng liên tục, nên được gọi là bức xạ liên tục hay bức xa ham.2 Bite Xa Đặc Trưng : LUAN YAN TOT NGHIỆP Trang 1 CƠ SỞ LÝ THUYET SUCH : Cchn Cj Kien đp/x Khi có sự chuyển electron từ quỹ đạo cao về quỹ đạo thấp hơn trong nguyên tử thì sẽ tạo ra bức xạ đặc trưng có năng lượng : là WnR say» Ki (1.2) Bức xạ đặc trưng phụ thuộc vào sự phân bố năng lượng của các electron qu đạo trong nguyên tử của nguyên tố bia.
Năm 1913 MoseLey đã tìm ra mối liên hệ giữa bước sóng của vạch đặc trưng và bậc số nguyên tử của nguyên tố Z : poten b2 ay a 3 l (1.3) A nm Ny * Đối với vạch K : Vp = p=R.@-17(1-] — | 1 1 = Vệ, sô * Đối với vạch L : * Đối với vạch M : ~ đu k = 4 — | L4 Vy =——=R.(Z-8)`| >-—~ Khi electron từ các tang bên ngoài dich chuyển về các tang K, L, M, sẽ xuất hiện các bức xạ đặc trưng có năng lượng rất lớn gọi là phổ tia X.2 Tương Tác Cơ Bản Của Tia X Với Vật Chất : 2.1 Su Tan Khi truyền qua môi trường vật chất tia X sẽ tương tác với các electron ở vỏ nguyên tử và bị tán xạ. Sự tấn xạ xẩy ra chủ yếu ở tang ngoài của vỏ nguyên tử. Có hai loại tấn xạ xảy ra trên mẫu là : tán xạ đàn hồi và tấn xa không đàn hồi. LUẬN YAN TỐT NGHIỆP ‘Trang2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ,SiIEX - Crh Obj Bion 82x % Tan xạ đàn hồi (còn gọi là tán xạ kết hợp hay tán xạ RayLeigh): photon tới và photon tán xạ có cùng năng lượng, phương truyền của tia X bị lệch chứng tỏ có sự suy giảm khối.
s% Tan xạ không đàn hỏi (còn gọi là tắn xạ không kết hợp hay tấn xạ Compton) : năng lượng của photon tán xạ nhỏ hơn năng lượng của photon tới, đồng thời có một điện tử thoát ra. Tia X vừa bị giảm năng lượng vừa bị lệch phương truyền. Bức xạ tới Hình 1 : Mô hình tán xạ RayLeigh và tán xa Compton của tia X. Trong phổ kế huỳnh quang tia X, tán xạ là nguyên nhân gây ra phông trên phổ huỳnh quang của mẫu phân tích.
Trong kĩ thuật phổ kế huỳnh quang tia X, hiệu ứng tán xạ photon đối với mẫu phân tích có hai điểm chính : e Số tia bức xạ do tấn xạ tăng theo số nguyên tử Z (do số electron tăng và mẫu hấp thụ tia tin xa ft). e Tỉ số cường độ tia tán xạ không kết hợp và kết hợp tăng khi số nguyên wre Z của mẫu giảm. Đây là nguyên nhân gây khó khăn khi phân tích các nguyên tố nhẹ bằng phương pháp phổ huỳnh quang tia X. a4 rinh Khi truyền qua môi trường vật chất, tia X sẽ tương tác và mất di một phan nang lượng vì : LUẬN YAN TỐT NGHIỆP Trang3 CƠ SỞ LÝ THUYET SUGH= Ccdn Obj Bice ñy/x > Một phan tia X bi hấp thu bởi môi trưởng.
> Sự tán xạ của tia X với vật chất làm đổi phương truyền.1 Hệ số suy giảm : Xét chùm tia X có cường độ ban đầu I,(E). sau khi qua lớp có bể dày x thì cường độ của nó là I(E). # Khi chùm tia X truyền qua mà không tương tác với vật chất thì : I(E) = (Eye (14) Với : kụ là hệ số suy giảm tuyến tính, có thứ nguyên là cm `. * Khi chùm tia X tương tác với vật chất thì : K(E) = 1,(E) e #99 (1.5) a Với : ® = là hệ số suy giảm khối có thứ nguyên là cm’/g.
@ o là mật độ khối của lớp vật chất. Đối với hợp chất nhiều nguyên tế thì : p= Dwi, (1.6) Trong đó : @ W,: là hàm lượng nguyên tố i. ® 44: là hệ số suy giảm khối đối với nguyên tố i. ® ụ: là hệ số suy giảm khối của cả hợp chất Khi chùm tia X truyền qua môi trường vật chất sẽ xảy ra các quá trình tương tác như: hiệu ứng quang điện, tán xạ kết hợp, tán xạ không kết hợp.
Do đó : H=T+ Oy + Onn (1.7) OVG: LUẬN YAN TỐT NGIIỆ P | Trang4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT SUCH - Cestn Chi Kim Tyte @ +: Hệ số hấp thu khối quang điện. ® on: Hệ số hấp thụ khối kết hợp. © inn: Hệ số hấp thụ khối không kết hợp.2 Sự Hấp Thụ : 2 Năng lượng cạnh hấp thụ là năng lượng cực tiểu có thể phát quang một điện tử từ một quỹ đạo trong nguyên tử của nguyên tố cho trước. Vì mỗi nguyên tử có nhiều phân lớp nên có nhiều cạnh hấp thụ a Năng lượng cạnh hấp thụ tuân theo quy tắc sau : Kye > Lite > Laine > Litem 2 Trong cùng một nguyên tố, năng lượng cạnh hấp thụ tang theo a Không có vạch nào trong dãy phổ có năng lượng lớn hơn năng lượng cạnh hấp thụ.
Sau đây là đường cong biểu diễn hệ hấp thụ khối : 10° 10° 10° 10 1 0,1 0 0.1 l 10 Bước sóng A (A) Hình 2 : Đường cong biểu diễn hệ số hấp thụ khối của nguyên tố Uranium theo bước sóng của photon tới. Những điểm bất liên tục trên hình được gọi là cạnh hấp thụ. LUẬN YAN TỐT NGHIỆP Trang5 CƠ SỞ LÝ THUYẾT SUEH- ein Chi Kien Hyén 1.3 xay ra huynh tia XX: Khi một nguồn kích tia X sơ cấp phát ra từ ống tia X hay từ một nguồn đồng vị chiếu vào một mẫu, tia X có thể bị hấp thụ bởi nguyên tử hoặc bị tán Xa qua vật chất. Quá trình nguyên tử hấp thụ tia X và một electron ở lớp vỏ nguyên tử nhận tất cả năng lượng do tia X truyền tới.
Nếu tia X sơ cấp có năng lượng đủ mạnh làm bật electron trong lớp vỏ bên trong nguyên tử tạo thành lỗ trống. nguyên tử lúc này không bến vững, thì khi nguyên tử trở về trạng thái cân bằng, các electron từ lớp vỏ bên ngoài chuyển đến lấp lỗ trống ở lớp vỏ bên trong và sé phát ra tia X đặc trưng có năng lượng là hiệu giữa nang lượng liên kết của hai lớp vỏ tương ứng. Quá trình này gọi là “hiệu ứng quang điện ”. Những tia X phát ra trong quá trình này được gọi là “huỳnh quang ta x”.
Quá trình phát hiện và phân tích các tia X phát ra được gọi là “phép phân tích huỳnh quang tia X”. Phép phân tích huỳnh quang tia X thường dựa vào các lớp vỏ trong cùng (lớp K và L) để định tinh và định lượng các nguyên tố. Các tia X đặc trưng được kí hiệu bằng các chữ K,L.M hay N để cho biết tia X đó phát ra từ vạch nào của lớp vỏ nguyên tử. Các chỉ số a, fi, y được thêm vào để biết sự dịch chuyển của electron từ lớp nào đến lớp nào.
Phương pháp huỳnh quang tia X được 4p dụng rộng rai dé xác định thành phần nguyên tố trong vật chất. Phương pháp này có các ưu điểm sau: @ Phân tích nhanh vớt độ chính xác cao. ® Không phá hiiy mẫu. @ Phân tích cùng lic nhiễu nguyên tố.
@ Giới hạn phát hiện định lượng có thể đạt đến ppm. @ Đối tượng phân tích da dạng : ran, lỏng, khí. LUẬN YAN TỐT NGWIỆP Trang6 CƠ SỞ LÝ THUYET SBE: Erbe Ch Kies Agen Do đó, phương pháp huỳnh quang tia X là một trong các phương pháp được áp dụng để phãn tích các vật liệu trong công nghiệp, nông nghiệp. sinh học, khảo cổ, môi trường.
Ngoài cách dùng tia X, ta còn có thể dùng các nguồn kích sơ cấp khác để tạo ra huỳnh quang tia X như: hạt a, proton hay chùm clectron năng lượng cao, Hiệu ứng quang điện xảy ra thường kèm theo hiệu ứng Auger : tia X đặc trưng vừa phát ra có thể bị hấp thụ ngay bởi một electron ở lớp ngoài hơn trong cùng một nguyên tử. Khi đó không có tia x đặc trưng được phóng thích mà là một điện tử Auger được phóng thích. Hiệu ứng này làm giảm cường độ của vạch phổ và thường xảy ra đối với các nguyên tố nhẹ. Quá trình huỳnh quang tia X được minh hoa bởi hình sau : e (Quang electron) E Bức xa tới Hình 3 : Một electron từ lớp K được bức ra khỏi nguyên tử khi kích thích tia X sơ cấp, tạo ra một lỗ trống.
Hình 4 : Một electron từ lớp L hoặc M nhảy vào lấp day lỗ trống. LUẬN YAN TỐT NGHIỆP Trang7 CƠ SỞ LÝ THUYẾT SUCH - E.tx Bội Bien Ngee Hình § : Khi một lỗ trống được tạo ra trong lớp L từ năng lượng kích thích sơ cấp, một electron từ lớp M hay N nhảy vào để lấp đầy 16 trống. Trong quá trình này nó phát ra tia x đặc trưng.