Chương I: TƯƠNG TAC CUA TIA X VỚI VAT CHẤT I. TONG QUAT Khi chùm tia X đi qua môi trường vật chất, nó sẽ tương tác với vật chất làm cường độ chùm tia X bị yếu đi do quá trình hấp thy và tán xạ của tia X. Cường độ chùm tia X không truyền qua theo cùng một hướng với chùm tia tới mà bị mất đi do hat quá trình: - Hiệu ứng quang điện. - Tán xạ trên nguyên tử của vật mẫu.
'Tán xạ không kết hợp | ¬ = da + AD | - Tia X đặc trưng ~ Quang electron ro- 47 - Electron Auger Ị |. Tán xạ kết hợp|— = — — 4 “=—=———¬ | r.——+2 : Hé s6 suy gidm — H=T+ Ow + Ow Chùm tia tới L4E.) | Chùm tia truyền qua I(E. Sơ dé biểu diễn sự tương tác của tia X với vật chất Độ lớn hai quá trình trên phụ thuộc vào: - Năng lượng chùm tia X. - Mức độ đơn năng chùm tia tới.
- Số khối trung bình và cấu trúc tỉnh thể của bia. Trang 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP LƯƠNG THỊ LỆ HANG 1. QUA TRINH TAN XA. Khi tia X đập vào đám mây điện tử của lớp vỏ nguyén tử của nguyên tố bia, nó sé tương tắc với điện tử và bị tán xạ.
Tán xạ tia X trong mẫu chủ yếu gây ra ở phần ngoài của vỏ nguyên tử và là nguồn gốc chính gây ra phổ tia X đặc trưng. Goi ky là cường độ chùm tia X đơn năng tương tác với vật liệu đồng nhất có bể day xX. Goi |, là cường độ chùm tia X còn lại sau khi xuyên qua bể day x. Theo định luật Lambert: ,-M=px = 1; Từ (1.2) Với py : hệ số suy giảm tuyến tính phy thuộc vào tính chất (bin chất) của vật chat.
Gọi p là khối lượng riêng vật liệu, đơn vị g/cm’, Khi đó, khối lượng m tính trên diện tích bể mặt của chùm tỉa tới: m = px Từ ` chim (1.3) với ụ =“* là hệ số suy giảm khối p Như vậy mỗi quá trình cho ta một hệ số suy giảm khối tương tự như phương trình (1. Ta có p=t+o t : hệ số hấp thụ quang điện ơ : hệ số tán xạ khối lượng Trang 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP LƯƠNG THỊ LỆ HẰNG —————————_-——————— ——ẻ ——. Sự tán xạ có thể đàn hồi, ở đây photon tán xạ có cùng năng lượng với photon tới tán xạ loại này gọi là tán xa kết hợp hay tán xạ Rayleigh. Đường đi của tia X bi lệch, vì vậy có sự đóng góp biểu kiến vào hệ số suy giảm khối.
Nếu sự va chạm không đàn hỏi thì tia X bị mất năng lượng để một điện tử thoát ra và tán xạ tia X loại này được gọi là tán xạ không kết hợp hay tán xa Compton. Đường di của tia X bị lệch và năng lượng giảm. Tan xa Compton if”.——-~——* Điện tử giật lùi do Tan xa Rayleigh ®Hình 3. Minh hoạ tán xa Rayleigh và tan xa Compton của tia X L2.1 Tương tác của tia X với electron (e ) tự do Quá trình tương tác xảy ra chủ yếu giữa photon tia X và e tự do gọi là quá trình tan xạ.
Để đơn giản, trước hết xét sự tán xạ của tia X lên một e- tự do. Gọi ly là cường độ chùm tia X tới. Cường độ tán xa 1, được tính bởi phương trình Thompson: 1, =7,9.Minh họa quá trình tán xạ va electron giật lùi Theo quan điểm này can phân biệt 2 loại tán xạ: ~ Nếu photon tán xạ có năng lượng (bước sóng) không đổi so với photon tới ta gọi là tán xạ kết hợp hay tán xạ Rayleigh. — Nếu năng lượng (bước sóng) của photon tán xạ thay đổi thì ta gọi là tan xạ không kết hợp hay tán xạ Compton.
Độ dịch chuyển bước sóng tính theo công thức Compton: AA =A-A, =0,0243.5) hay năng lượng bức xạ tấn xạ Compton cho bởi phương trình: E« É, „với mạc? =5IIKeV (16) E, 1+—*~(1- cosy) mục? 1. Tương tác của tia X với c liên kết. Cơ học lượng tử cũng như thực nghiệm đã chứng minh rằng: trong vùng năng lượng của tia X xấp xỉ 10 KeV, tán xạ của tia X lên các điện tử liên kết tuân theo quy tắc tổng quát sau: - Tán xạ không kết hợp và tán xạ kết hợp cùng xảy ra. - Tan xạ toàn phẩn (kết hợp và không kết hợp) tuân theo định luật Thompson ở phương trình (1.
Trang 6 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP LƯƠNG THỊ LỆ HẰNG Biên độ tán xạ kết hợp lên cả nguyên tử, bằng tổng các biên độ tán xạ lên mỗi điện wf trong từng nguyên tử. Nếu gọi f, là biên độ tán xa kết hợp của một điện tử liên kết thì f, được biểu diễn bởi: tr. Biên độ tán xạ toàn phan lên một điện tử liên kết - (17) ` Biên độ tán xa lên một điện tử tự do Trường hợp đám mây điện tử có dạng đối xứng câu, ta co’: I= j4m` pr) b dr n sikr (1.8) với r là khoảng cách từ điện tử đến tâm đối xứng pir) : mật độ phân hố điện tử. sind với một nguyên tử bất kỳ, f là hàm của ENưvà khi = +0 pe hi > fam? p,(ridr > Z (1.10) Chú ý rằng khi = ~>0 thì 6-+0 (góc tấn xạ nhỏ) hoặc A lớn (năng lượng thấp).
Tán xạ không kết hợp lên các nguyên tử. Đối với tán xạ không kết hợp, không có giao thoa, cường độ tán xạ tổng hợp bởi các điện tử trong đám mây bao quanh hạt nhân được cho bởi tổng các cường độ tấn xa của các điện tử riêng lẻ.3 QUA TRINH HAP THU 1.1 Cạnh hấp thu Khi chùm photon năng lượng E tới tương tác với mẫu và nếu năng lượng E nhỏ thì quá trình quang điện không xảy ra. Khi cho năng lượng photon tới tăng dan đến một giá trị BE, nào đó đủ để đánh bật một e trong nguyên tử mẫu thì E, được gọi là cạnh hấp thụ của nguyên tố mẫu. Vì mỗi nguyên tố có nhiều phân lớp nên có nhiều cạnh hấp thụ.
Trang 7 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP LƯƠNG THỊ LỆ HANG Cùng nguyên tế, năng lượng cạnh hấp thụ tuân theo quy luật sau: Ka > Lan >>> L2. Cùng một phân lớp nang lượng cạnh hấp thụ tăng theo bậc số Z.2 Nguyên lý cạnh hấp thu Xét một chùm photon năng lượng E chiếu vào mẫu. Tùy vào giá trị của E và nàng lượng cạnh hấp thụ ta thấy như sau: - Khi E < Kj, hay năng lượng chùm photon tới không đủ để đánh bật các e ở lớp K thì vạch đặc trưng K không xuất hiện. - Khi năng lượng E tiến đến gan Ky, (E~ Ky) thì c ác điện tử lớp K bi đánh bật ra, hệ số suy giảm khối tang đột ngột gây nên hiện tượng hấp thụ quang điện và trên phổ xuất hiện vạch K đặc trưng.
- Khi năng lượng E >> K,, , chùm photon có năng lượng lớn nên có kha năng vươt qua bia mà không bị hấp thy, hiệu suất quang điện thấp. Do đó trên phổ không xuất hiện vạch đặc trưng. Vậy khi phát xa tia X đặc trưng thì & chỉ chuyển đời trong nội bộ nguyên tử lấp đây lỗ ống. Vì vay không có vạch đặc trưng nào trong mẫu có năng lượng lớn hơn năng lượng cạnh hấp thụ ứng với dãy đó.
Khi chùm tia X tới có năng lượng lớn hơn cạnh hấp thụ của dãy nào thì tất cả các vạch đặc trưng dãy đó đều xuất hiện trên phổ.3 Hiệu ứng quang điện Khi chùm tia X đập vào một eˆ liên kết và năng lượng E của photon tới lớn hơn năng lượng liên kết ¿ của e' thì e sẽ hấp thụ toàn bộ năng lượng của photon. Khi đó photon sẽ biến mất và năng lượng của nó được truyền cho e' liên kết để e° bứt ra khỏi ting của nó với năng lượng (E - $). Electron được bức xạ gọi là quang eˆ, quá trình này gọi là hiệu ứng quang điện. Trang 8 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP LƯƠNG THỊ LỆ HANG E=hw `¬-_ ^ Quá trình quang điện Quá trình Auger s Hình 5.
Quá trình quang điện và Auger Khi e bị bứt ra để lại một lỗ trống trong nguyên tử, lỗ trống này đặc trưng cho trạng thái không bến của nguyên tử, do đó eˆ từ ting có năng lượng liên kết thấp hơn sẽ chuyển về lấp đẩy lỗ trống, sự dich chuyển này kèm theo sự phát một photon tia X đặc trưng của nguyên tử, tia X phát ra có năng lượng bằng hiệu năng lượng liên kết của hai ting nguyên tử. Một quá trình khác xảy ra đồng thời với hiệu ứng quang điện là quá trình phát e Auger. Trường hợp xảy ra hiệu ứng phát e Auger thì không có tia X đặc trưng phat ra, Auger đã phát hiện: 4 Quang e và điện tử Auger xảy ra cùng một nguyên tử. kx Hiệu ứng điện tử thì ngẫu nhiên và độc lập đối với đường đi bởi quang * Biên độ của điện tử Auger tăng theo Z.
% Không phải tất cả các quang e đều kèm theo e' Auger. Xác suất một tia X đặc trưng phát ra khi một lỗ trống được lấp đấy gọi là hiệu suất huỳnh quang W. Hiệu suất huỳnh quang tỉ lệ với bậc số Z của nguyên tử. Vì vậy phương pháp phân tích huỳnh quang tia X chỉ đặc biệt hiệu quả đối với những nguyên tế có số khối cao, Trong khí sự tán xạ chủ yếu xảy ra đối với e~ lớp ngoài, liên kết lỏng lẻo thì hiệu ứng quang điện xảy ra chủ yếu tại các eˆ liên kết chặt chẽ bên trong.
Đối với các nguyên tử có số khối trung bình và thấp, năng lượng liên kết của các e tương đối thấp nên hiệu suất huỳnh quang thấp (từ quan điểm hấp thụ tổng hợp, hiệu suất huỳnh Trang 9 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP LƯƠNG THỊ LỆ HANG quang đạt giá trị lớn nhất khi năng lượng tia X kích thích vừa lớn hơn năng lượng liên kết của e trong nguyên tử).4 Hiệu suất huỳnh quang. Hiệu suất huỳnh quang W, là tỷ số giữa tổng số các tia X được phát ra trên tổng số các lỗ trống được tao thành trong cùng một thời gian tại một lớp nào đó.12) Hiệu suất huỳ nh quang khác nhau đối với từng nguyên tố và từng phân lớp: 4 Đối với lớp K hiệu suất huỳnh quang được tính gần đúng bằng.13 ® Đối với lớpL 1 (CN]'=A+Bz+cz 1-W (1.14) Trang 10 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP LƯƠNG THỊ LỆ HẰNG * » Bn ức: r2“ 2» \ - KES Z i og Protea lhE ——ẾZgates? ` \ / ⁄ Z Nà \ t((©))} t((©)]} , @ * aie - \ ị OF} ns “ N2 ` Ree x nasil -~~ ane 6, \` | | | \ \O) _ `—_ i “ % s* Hình 6.