Chương I: Tổng quan về tia X Chương II: Ứng dựng của tia X trong phân tich cấu trúc vật rắn Chương III: Thực nghiệm 2 NỘI DUNG CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TIA X 1. Giới thiệu về tia X Tia X (hay tia Röntgen) là bức xạ sóng điện từ vừa có tính chất hạt, vừa có tính chất sóng và truyền trong không gian với tốc độ ánh sáng với năng lượng: hc E h Trong đó: là tần số của bức xạ tia X (Hz); là bước sóng của bức xạ tia X (Å); c 3.108 m/s là tốc độ ánh sáng; h 6,626.s là hằng số Plank. Ngoài ra tia X cũng có những tính chất tương tự như ánh sáng thường (truyền thẳng, khúc xạ, phân cực và nhiễu xạ,…), truyền qua được những vật chất không trong suốt (vải, giấy, gỗ, da, thịt…). Tia X có bước sóng trong khoảng từ 0,1÷100 Å; tương ứng với dải năng lượng từ 0,1 keV đến 100 keV.
Bước sóng của nó ngắn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn tia Gamma. Công thức chuyển đổi giữa bước sóng () và năng lượng (E) là: 12,39 E với: tính theo Å; E tính theo keV. Phân loại tia X Có hai loại tia X là: Tia X cứng (tính đâm xuyên mạnh) có bước sóng từ 0,01 nm đến 0,1 nm. Tia X mềm (tính đâm yếu hơn) có bước sóng từ 0,1 nm đến 10 nm.
Tính chất của tia X Tia X có tính đâm xuyên mạnh Có tác dụng lên kính ảnh (làm đen kính ảnh dùng để chụp X quang) Làm phát quang một số chất Làm ion hóa không khí 3 Có tác dụng sinh lý, hủy diệt tế bào 1. Ứng dụng của tia X Bức xạ tia X đã nhanh chóng tìm được những ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong khoa học và kĩ thuật, tia X được dùng để điện quang trong y tế, kiểm tra kiểm soát trong ngành hải quan, kiểm tra hư hỏng, khuyết tật trong xây dựng chế tạo máy,… Trong y học, tia X được sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán và điều trị ung thư ở các vùng gần dìa ngoài cơ thể. Trong tinh thể học, tia X là một công cụ quan trọng, không thể thay thế trong việc nghiên cứu cấu trúc vi mô của vật chất.
Ống phát tia X 1. Cấu tạo Ống phát tia X là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành hai dạng khác là năng lượng tia X và nhiệt. Trong đó nhiệt tạo ra là kết quả không mong muốn, do đó ống phát tia X được thiết kế sao cho lượng nhiệt tạo ra là ít nhất và tiêu tán càng nhanh càng tốt. Về nguyên tắc, mọi ống tia X đều được cấu tạo từ 2 phần chính là âm cực (cathode), dương cực (anode) và các bộ phận phụ: Vỏ ống, hộp chứa, cổng giao tiếp, dầu tản nhiệt,… Bản cực âm (cathode) là một dây tóc được nung nóng bằng dòng điện để sản sinh ra các electron và bản cực dương (anode) là nơi các electron đập vào để phát sinh ra bức xạ hãm.
Ống tia X được hút chân không để electron không bị mất năng lượng do va chạm với các phân tử khí khi đi từ catod đến anode.1: Mặt cắt cấu tạo ống phát tia X 4 1. Cathode (âm cực) Cathode là bộ phận có chức năng cơ bản là giải phóng chùm điện tử và hội tụ chúng thành một chùm tia xác định nhắm vào Anode. Cathode điển hình bao gồm hai thành phần chính là sợi đốt và ống hội tụ. Sợi đốt được làm bằng những sợi Vonfam được đốt nóng lên tới trên.
Tùy trường hợp cụ thể mà cathode có hình xoắn ốc hoặc hình kéo dài. Khi bị đốt nóng các điện tử phát ra từ sợi đốt theo mọi phương. Để tập trung chúng lại và hướng chúng về phía anode, người ta đặt dây tóc trong một ống hội tụ, nhờ thế mà chùm điện tử phát ra sẽ có tiết diện tròn hoặc chữ nhật. Để giảm nhiệt độ của sợi đốt cũng như tăng tuổi thọ của ống phát mà vẫn đảm bảo chế độ làm việc bình thường của ống người ta thường phủ lên bề mặt sợi Wonfam một lớp mỏng Th, Cs,… 1.
Anode (dương cực) Anode là nơi tia X được tạo ra, nó là một bia hứng electron bằng kim loại có cấu trúc cứng và có mật độ phân tử cao nối với điện cực dương. Anode có hai chức năng: Thứ nhất là chuyển năng lượng của electron thành bức xạ tia X, thứ hai là làm tiêu tán lượng nhiệt trong quá trình phát ra tia X, do đó vật liệu làm anode phải đáp ứng được 2 yêu cầu trên. Với mục đích giảm nhiệt lượng trong quá trình phát tia X người ta thường làm anode bằng đồng. Do đồng là kim loại dẫn nhiệt tốt và có nhiệt độ nóng chảy cao (trên 1000 oC).
Trong phân tích cấu trúc và quang phổ do cần nhiều loại bức xạ, người ta gắn kim loại khác nhau (các gương anode) lên khối đồng (thân anode). Trong trường hợp chỉ có sử dụng phổ liên tục (thí dụ trong phân tích đơn tinh thể hoặc trong kĩ thuật thăm dò khuyết tật) gương Anode làm bằng Wolfram là kim loại chịu nhiệt tốt. Mặt khác Anode phải được làm lạnh. Trong nhiều trường hợp người ta làm lạnh bằng nước hoặc dùng anode xoay (anode được gắn với roto).
Anode xoay cho phép tăng công suất làm việc của ống phát lên gấp 10-15 lần so với anode làm lạnh bằng nước. Nguyên lý làm việc Tia X được tạo ra trong ống phát tia X thường làm bằng thuỷ tinh hay thạch 5 anh có độ chân không cao. Các điện tử tự do được tạo ra do sự bức xạ nhiệt điện tử từ bề mặt cathode bị đốt nóng. Giữa cathode và anode có 1 điện áp cao nên dưới tác động của một điện trường cao các điện tử được tăng tốc với tốc độ lớn đập vào anode.
Nếu điện tử tới có năng lượng đủ lớn làm bứt ra các điện tử ở lớp bên trong nguyên tử của anot thì nguyên tử sẽ ở trạng thái kích thích với một lỗ trống trong lớp điện tử. Khi lỗ trống đó được lấp đầy bởi một điện tử của lớp bên ngoài thì photon tia X với năng lượng bằng hiệu các mức năng lượng điện tử được phát ra. Sau đó tia X sẽ đi qua các cửa sổ làm bằng Beri (Be ít hấp thụ tia X) ra ngoài. Khi bị hãm trên bia, mỗi electron chuyển một phần năng lượng thành bức xạ tia X, phần còn lại sinh nhiệt làm bia nóng lên.
Quá trình truyền và chuyển năng lượng là ngẫu nhiên nên phổ của bức xạ hãm-đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa cường độ bức xạ, theo bước sóng I()–là liên tục. Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng cho quá trình này: mv 2 eU EA 2 Trong đó: U là điện thế gia tốc; e và m lần lượt là điện tích và khối lượng của hc electron; E năng lượng tia X; A là nhiệt năng; Thực tế, chỉ khoảng 1% năng lượng của tia điện tử được chuyển thành tia X, phần lớn bị tiêu tán dưới dạng nhiệt làm anode nóng lên và người ta phải làm nguội anode. Phổ Rơnghen Thực nghiệm cho thấy sự phân bố cường độ I theo bước sóng rất không đồng đều, tức là phổ tia rơnghen có cấu trúc phức tạp. Tuy nhiên ta có thể chia phổ rơnghen làm 2 phần: Phổ liên tục và phổ đặc trưng.
Cường độ ứng với mỗi bước sóng I() của phổ liên tục nhỏ hơn nhiều so với phổ đặc trưng vì vậy trong nhiều trường hợp phổ rơnghen được coi là đơn sắc tức là bỏ qua phần phổ liên tục. Phổ liên tục Phổ liên tục bao gồm một tập hợp bước sóng và cường độ thay đổi theo bước 6 sóng không đột ngột. Phổ liên tục bao giờ cũng được giới hạn từ phía sóng ngắn bởi một giá trị cực tiểu min. Bước sóng min phụ thuộc vào điện áp U giữa hai điện cực và khi U tăng thì bước sóng cực tiểu min càng giảm.Ta có hệ thức giữa min và U: hc min eU Theo quan điểm lượng tử, có thể hình dung quá trình phát ra phổ liên tục như sau: Điện tử từ cathode với năng lượng E1 khi bay tới anode sẽ nằm ở 1 quỹ đạo hở ứng với mức năng lượng E1, điện tử bị hãm và chuyển sang một quỹ đạo khác với mức năng lượng tương ứng E2.
Năng lượng E E1 E 2 mà điện tử mất đi trong quá trình hãm chuyển thành năng lượng 1 photon phát ra: h E E1 E2 Như vậy, tần số hoặc bước sóng của photon phụ thuộc vào giá trị ∆E. Đối với các quỹ đạo kín, các giá trị E1, E2 là cố định vì vậy các bước sóng phát xạ ra có giá trị cố định. Nhưng đối với các quỹ đạo hở, các giá trị E1, E2,… có thể lấy bất kì vì số lượng các quỹ đạo đó không hạn chế. Chính vì vậy mà ∆E có các giá trị bất kì dẫn tới hoặc cũng có giá trị bất kì.
Kết quả ta thu được phổ liên tục. Theo quan điểm thuyết điện động lực học cổ điển, quá trình phát ra tia rơnghen gắn liền với quá trình hãm chùm điện tử có tốc độ v trên bề mặt anode. Khi gặp anode, điện tử bị hãm đột ngột, chúng thu nhận 1 gia tốc rất lớn, điện tử có điện tích e bị hãm nên có gia tốc a. Vì vậy chúng phát ra điện từ trường có cường độ được xác định bởi: c e 2a 2 I EH sin 2 4 4c R 3 2 Trong đó: I là năng lượng bức xạ qua 1 đơn vị diện tích trong 1 đơn vị thời gian; là góc giữa phương quan sát và phương của gia tốc a; c là tốc độ ánh sáng.
Bởi vì quá trình hãm các điện tử khác nhau hoàn toàn không như nhau,vì vậy bức xạ phát ra có thành phần không đồng nhất, có nghĩa là chúng phát ra phổ liên tục với 1 tập hợp các bước sóng. Phổ đặc trưng Đặc điểm chung của phổ đặc trưng: Ta thấy trên nền phổ liên tục, tại một số giá trị bước sóng cố định, cường độ phổ I đột ngột tăng lên và có giá trị rất lớn. Những bước sóng ứng với cường độ lớn đó hoàn toàn cố định với mỗi nguyên tố làm anode. Khi thay anode bằng một nguyên tố khác, lập tức có các bước sóng khác tương ứng.
Tập hợp một số bước sóng hữu hạn đó tạo thành phổ đặc trưng. Bởi vì chúng cố định đối với mỗi nguyên tố làm anode nên đặc trưng cho nguyên tố đó và vì vậy có tên là phổ đặc trưng.