Thông tin tài liệu
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
BÁO CÁO
THỰC TẬP CHUYÊN ĐỀ
Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Mạnh Sơn
Nhóm học viên thực tập
1. Thái Ngọc Ánh
2. Bùi Tiến Đạt
3. Lê Văn Khoa Bảo
4. Nguyễn Ngọc Trác
5. Lê Thị Thảo Viễn
Huế, tháng 01 năm 2008
MỤC LỤC
MỤC LỤC 2
Phần chính của thực tập 4
I. 1 Tính chất vật lý 6
I.1.1 Hiện tượng tách, nứt 6
I.1.4 Điểm nóng chảy và điểm sôi 7
I.1.5 Tỷ trọng và tỷ trọng riêng 7
I.2 Tính chất quang học 7
I.2.1 Độ lấp lánh 8
I.2.2 Tính chất đa màu, màu sắc của ruby 8
I.2.3 Quá trình phát quang của ruby 8
I.2.4 Phổ hấp thụ [3] 10
II. 3 Kỹ thuật thẩm định ruby nhân tạo 11
Hệ thấu kính 17
Bộ Lock-in Amplifier 17
Nhóm thực tập 25
Báo Cáo Thực tập chuyên đề
MỞ ĐẦU
1. Nơi thực tập:
Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa
Học Huế
Giáo viên hướng dẫn thực tập: TS Nguyễn Mạnh Sơn
Nhóm Học viên cùng thực tập: Thái Ngọc Ánh, Bùi Tiến Đạt
Nguyễn Ngọc Trác, Lê Văn Khoa Bảo và Lê Thị Thảo Viễn
2. Mục đích thực tập
Làm quen với các trang thiết bị nghiên cứu, tập duyệt cách bố trí, đo đạc
các vật liệu có sẳn.
Làm quen với các hệ đo của khoa Vật lý liên quan đến chuyên ngành
đang được đào tạo.
Làm quen với cách sữ dụng các phần mềm chuyên dụng để xữ lý số liệu
thu được, chẳng hạn dùng phần mềm Microcal Origin [5]
Tập duyệt nghiên cứu khoa học và cách viết một báo cáo, một thông báo
khoa học.
Tập duyệt cách hợp tác nghiên cứu khoa học, làm việc theo nhóm.
3. Đối tượng nghiên cứu
Vật liệu Ruby Al
2
O
3
: Cr
3+
nhân tạo. Mẫu đã có sẳn chỉ tiến hành các phép
đo.
Hệ đo đã có sẳn và đã được tự động hoá tại Phòng Thí nghiệm của khoa
vật lý.
Báo Cáo Thực tập chuyên đề
Phần chính của thực tập
I. Tổng quan lý thuyết về Ruby Al
2
O
3
: Cr
3+
[3,6,7]
Ruby (hồng ngọc hay đá đỏ) là một trong những chủng loại đá quý hiếm
nhất. Ngày nay ruby có thể sản xuất được. Ruby nhân tạo thường có tính chất hoàn
hảo, màu sắc đồng đều, độ trong tốt, kích thước lớn.
Vật liệu nền của ruby đó là Al
2
O
3
. Được tạo nên từ nhôm và oxi. Nhôm
và oxi nắm vị trí thứ 13 và 16 trong bảng tuần hoàn các nguyên tố.
Màu đỏ của hồng ngọc là do tâm phát quang Cr
3+
phát ra. Crom là kim
loại chuyển tiếp thuộc nhóm d. Có vị trí và cấu hình như trình bày bên dưới.
Hình 1: Vị trí của nhôm và oxi trong bảng tuần hoàn.
Tâm phát quang Cr
3+
. Crom là kim loại chuyển tiếp có nằm ở vị trí 24
trong bảng tuần hoàn các nguyên tố.
Hình 2: Vị trí của Crom trong bảng tuần hoàn các nguyên tố.
Báo Cáo Thực tập chuyên đề
Al
2
O
3
(nhôm oxit)
A l
2
O
3
: C r
3 +
( r u b y )A l
2
O
3
: C r
3 +
( r u b y )
Hình 3: Hình ảnh của Al
2
O
3
và Al
2
O
3
: Cr
3+
[4]
Cấu hình của Crom 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
5
4s
1
. Do đó, cấu hình của Cr
3+
là
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
3
.
Ta biết rằng oxit nhôm Al
2
O
3
tinh khiết là không màu và ít gấy ấn tượng.
Nhưng khi nó chứa cở 1% oxit crom thì nó có màu đỏ rất đẹp. Đó là ruby, một loại
đá quý hiếm đứng sau kim cương.
Ngoài giá trị dùng để làm đồ
trang sức thì ruby có rất nhiều ứng
dụng trong khoa học kỹ thuật mà điểm
hình là làm môi trường hoạt tính cho
laser ruby. Đây là loại laser ra đời đầu
tiên đánh một mốc lịch sử cho ngành
khoa học laser.
Báo Cáo Thực tập chuyên đề
Hình 4: Laser ruby
I. 1 Tính chất vật lý
Ruby nằm trong số đá quý bền nhất tìm thấy trên trái đất. Với độ cứng chỉ
thua kim cương và ít bị hiện tượng vỡ tách, ruby có thể chịu được mọi va chạm,
mài mòn trong quá trình sử dụng.
I.1.1 Hiện tượng tách, nứt
Các hiện tượng này xảy ra do khoáng vật chịu ảnh hưởng của áp suất và
ngoại lực.
Các công trình nghiên cứu năm 1904 cho rằng corundum không có mặt
tách nhưng những công trình nghiên cứu gần đây nhất đối với corumdum nhân tạo
cho thấy rằng corumdum có thể bị tách dọc theo mặt hình thoi (1011) và lăng kính
lục giác (Hexagonal prism 1120). Tinh thể corundum có thể bị nứt dọc theo mặt
yếu nhất của tinh thể thường do các sai hỏng về cấu trúc gây nên. Tinh thể
corundum cũng như tinh thể của các loại đá quý khác có thể có vết nứt bất kỳ. Các
vết nứt này hình thành trong những điều kiện nhất định của quá trình mọc tinh thể
hoặc chế tác.
Về độ bền thì ruby tương đối giòn, dễ vỡ, tuy nhiên ít hơn các loại khác.
Độ cứng, tính chịu cào, xước của mặt bóng tinh thể biểu hiện độ cứng của nó.
I.1.2 Độ giãn nở nhiệt:
Độ giãn nở nhiệt của đơn tinh thể corundum được xác định bởi Belyaev
năm 1980 như sau
20 – 50
0
C = 6.66.10
-6
(deg
–1
) (song song trục C)
20 – 1000
0
C = 9.03.10
-6
(song song trục C)
50
0
C = 5.0.10-
-6
(vuông góc với trục C)
Đặc trưng giãn nở nhiệt của ruby có ý nghĩa quan trọng trong thực tế. Độ
giãn nở do nhiệt của ruby nhỏ hơn của kim cương.
I.1.3 Độ dẫn nhiệt:
Độ trơ về nhiệt của corundum =0,262 cal.cm
2
. CS
1/2
, lớn gấp 2 lần spinel
và 3 lần garnet. Phép thử xác định giá trị độ trơ về nhiệt có thể rất có lợi trong việc
Báo Cáo Thực tập chuyên đề
phân biệt corundum với các loại khoáng vật khác. Phép thử nhiệt được tiến hành
bởi những dụng riêng như “phép thử alpha”, trên nguyên tắc đốt nóng 1 đầu dò
nhọn đến một nhiệt độ xác định được lựa chọn, sau đó cho đầu nhọn tiếp xúc với
khoáng vật và đo xem nó bị nguội nhanh như thế nào.
I.1.4 Điểm nóng chảy và điểm sôi
Điểm nóng chảy của corundum theo Belayev (1980) là 2030
0
C, theo một
số tác giả khác là 2050
0
C. Điểm sôi của corundum là 3500
0
C rất cao.
Độ tan của corundum là 9,8.10
-5
g trong 100 g nước ở 29
0
C. Corundum
tan kém trong HNO
3
sôi và axit photphoric ở 300
0
C, nhưng hoà tan tốt trong borax
ở 800 – 1000
0
C và trong KHSO
4
ở 400 – 600
0
C. Do borax có khả năng hoà tan
ruby nên hết thức thận trọng khi đốt nóng borax gần sát ruby.
I.1.5 Tỷ trọng và tỷ trọng riêng
Tỷ trọng là trọng lượng tính bằng g trong 1 cm
3
vật chất. Tỷ trọng riêng
thường ký hiệu SG là tỷ số giữa trọng lượng của cùng một thể tích chất và trọng
lượng của cùng một thể tích như vậy của nước ở 4
0
C.
Tỷ trọng của corundum thường được cho là bằng 3,98g/cm
3
I.2 Tính chất quang học
Corundum kết tinh trong lớp tam tà của hệ lục giác, là vật liệu khúc xạ
kép và đơn trục. Mỗi tia sáng đi tới tinh thể corundum theo mọi hướng đều bị tách
thành hai tia (trừ hướng song song với quang trục C), trong đó mỗi tia dao động
trong một mặt phẳng vuông góc với phương lan truyền và vuông góc với mặt
phẳng dao động của tia kia. Tia thứ nhất (o-ray) luôn luôn dao động vuông góc với
trục C nên có chỉ số khúc xạ (w) không đổi bằng 1,770. Tia thứ hai 9 (e – ray) dao
động trong mặt phẳng chứa trục C và có chỉ số khúc xạ (ε) thay đổi. Khi ánh sáng
tới song song với trục C thì tia e dao động vuông góc với C và do đó cùng chỉ số
khúc xạ w. Khi ánh sáng tới vuông góc với C thì tia e dao động song song với C.
Tại điểm này sự khác nhau giữa hai chỉ số khúc xạ w và ε đạt giá trị lớn nhất. Hiện
Báo Cáo Thực tập chuyên đề
tượng khúc xạ kép của corundum xảy ra mạnh nhất khi ánh sáng tới vuông góc với
trục C và giảm tới 0 khi hướng ánh sáng tới trùng với trục C.
Trong corundum tia o chuyển động chậm hơn (có chỉ số khúc xạ lớn hơn)
tia e nên đặc tính quang học là đơn trục âm. Phương pháp để xác định đặc tính
quang học âm hay dương là dùng hình ảnh giao thoa hoặc ghi chỉ số khúc xạ (RI)
của các vị trí khác nhau khi quay đá 180
0
.
Nói chung giá trị chỉ số khúc xạ: RI
1
(ε) trong khoảng từ 1,757 đến 1,772;
RI
2
(w) từ 1,765 đến 1,780 tuỳ theo nguộn gốc khác nhau của vật liệu.
I.2.1 Độ lấp lánh
Độ lấp lánh dùng để chỉ số lượng và chất lượng ánh sáng mà vật liệu đá
quý phản xạ. Độ bóng bên trong đóng góp vào độ lấp lánh phụ thuộc vào chỉ số
khúc xạ, sự cân đối và độ đánh bóng. Độ lấp lánh bên ngoài là độ bóng bề mặt, và
được xác định bằng chỉ số khúc xạ.
I.2.2 Tính chất đa màu, màu sắc của ruby
Vì sự khác nhau trong đối xứng và theo hướng dao động của các tia như
trên, mỗi tia bị hấp thụ khác nhau nên 1 tia này có màu này, tia khác có màu khác.
Sự khác nhau về màu tại các hướng khác nhau gọi là đa màu. Loại đơn trục như
ruby có hai hướng dao động (w và ε) nên có hai màu. Hậu quả là loại đơn trục như
corundum là “dicroic”. Song song với trục C chỉ nhìn thấy tia o nên chỉ có một
màu, không nhìn thấy pleochroism, màu tương ứng với tia e thay đổi. Sự khác biệt
lớn nhất khi ánh sáng lan truyền vuông góc với trục C. Hiện tượng pleochroism
nhìn thấy mạnh nhất dưới góc vuông so với trục C, khi đó hai màu đỏ tía nhẹ của o-
ray trộn với màu đỏ da cam của e-ray cho ra các màu trung gian. Để xác định hiệu
ứng pleochroism dùng lưỡng sắc kế.
I.2.3 Quá trình phát quang của ruby
Trong ruby crom có mặt ở dạng ion Cr
3+
nghĩa là nguyên tử crom (có cấu
hình điện tử 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
5
4s
1
- thường viết gọn là 3d
5
4s) bị mất ba điện tử nên
Báo Cáo Thực tập chuyên đề
có cấu hình điện tử trở thành 3d
3
với ba điện tử không liên kết đôi. Ion Cr
3+
có kích
thước lớn hơn Al
3+
một chút (1,2A
0
so với 1,1 A
0
) nên dễ tham gia vào cấu trúc của
corundum. Trong trường tinh thể của sáu ligand oxi bao quanh xảy ra sự tách vạch
năng lượng của các orbitan 3d của Cr.
Giản đồ hình 5a mô tả hiệu ứng của cường độ trường ligand lên các mức
năng lượng, kí hiệu theo số hạng phổ A, B, C và D. Trường thực tế của Cr
3+
trong
Báo Cáo Thực tập chuyên đề
Hình 5: Các mức năng lượng, các dịch chuyển và các màu hấp
thụ trong ruby[4,6,7]
Chú thích: ABSORPTION: hấp thụ; FLUORESCENCE: huỳnh quang; RED FLUORESCENCE: huỳnh quang đỏ;
RED TRNSM: truyền qua đỏ; VIOLET ABS:hấp thụ tím; SMALL BLUE TRNSM: truyền qua lam
ruby là đường chấm chấm dọc và các mức năng lượng thực tế cùng với các chuyển
dời mức được mô tả trong hình 5b, hình 5c và hình 5d. Hình 5b mô tả quá trình hấp
thụ, hình 5b mô tả quá trình phát xạ nhiệt và hình 5d mô tả quá trình huỳnh quang.
Sơ đồ trên cho phép ta giải thích màu sắc của ruby: Có hai cơ chế hấp thụ
(absorption) xảy ra (hình 5b) khi ánh sáng đi qua để chuyển Crom từ mức cơ bản
A lên mức kích thích C và thứ hai là lên mức kích thích D. Kết quả là ruby có hai
cửa sổ truyền qua ở vùng xanh lam (SMALL BLUE TRNSM) có bước sóng cở
480nm và vùng đỏ có bước sóng cở 610nm. Vì mắt người nhạy với ánh sáng màu
đỏ nên ruby có màu đỏ.
I.2.4 Phổ hấp thụ [3]
Phổ hấp thụ của ruby có các đặc trưng sau:
Vùng hấp thụ ở 400 – 450nm (tím, xanh da trời)
Vùng hấp thụ rộng ở 550nm (vùng nâu, xanh lá cây)
Vạch hẹp 468,5; 475; 476,5nm
Ngoài ra còn vùng rộng ở 550nm và hàng loạt vạch trong vùng đỏ.
I.2.5 Phổ phát xạ của ruby [6,7]
Báo Cáo Thực tập chuyên đề
Hình 6: Phổ huỳnh quang của Ruby
[...]... ca chỳng tụi Mt lý do khỏc theo chỳng tụi ú l do chỳng tụi tin hnh trờn mu ruby khỏc vi mu m cỏc ti liu nghiờn cu v o c III.1.2 H o ph hp th t ng [1] 7 8 1 DAC DAC 8 9 6 10 2 3 3 4 4 5 ADC ADC 5 6 1: Ngun kớch thớch 2: Mỏy n sc 3: PTM 4: Khuych i 5: Ghi v hin th PC 6: Mụ t bc 7: H thu kớnh hi t 8: iu bin 1 0: Mụ t bc Hỡnh 11 : S nguyờn lý h o ph quang phỏt quang c chỳng tụi thc hin o ti phũng thớ nghim... Hỡnh 1 8: Ph hunh quang ca ruby o ln 1 Đ ỉnh 696,06 2.0 Đ ỉnh thứ hai C ờng độ 1.5 1.0 0.5 0.0 640 660 680 700 B ớc sóng ( )(nm ) 720 740 Hỡnh 1 9: Ph hunh quang ca ruby o ln 2 Nhn xột: So sỏnh ph hunh quang lý thuyt ca ruby (hỡnh 6) [6,7] v ph hunh quang o c ti phũng thớ nghim chỳng ta nhn thy rng, hỡnh dng ca ph ca ruby l tng t nhau, chỳng cú mt chỳt sai khỏc nh Theo chỳng tụi ú l do cỏc mu ruby chỳng... 7 8 9 10 2 1 1: Ngun kớch thớch 2,4 H thng thu kớnh hi t 3 Giỏ mu 5: B iu bin 6: Motor bc 7: Mỏy n sc 8: PTM 9: Khuych i 1 0: Mỏy vi tớnh Hỡnh 1 7: S nguyờn lý ca h o ph phỏt quang õy l h o t ng ti Phũng thớ nghim Vt lý cht rn, Trng i hc Khoa hc Hu Mt h o phi núi rng cú tin cy rt cao ti min trung III.1.3a Nguyờn lý hot ng: [1] Chựm ỏnh sỏng t nguyn kớch thớch 1 i qua h thu kớnh 2 (nu l ngun laser thỡ... gin, ti phũng B mụn Vt lý cht rn S nguyờn lý h o: Ngun bc x Mỏy n sc Mu o B thu quang in B hin th Hỡnh 7: S nguyờn lý h o ph hp th ti phũng B mụn vt lý cht rn o ph bc x ca ngun sỏng, Io =f( ): ngun sỏng kớch thớch l mt Hỡnh 8: H o ph hp th thc ti phũng B mụn vt lý cht rn ốn halogien Sau ú cho viờn ruby vo khe ta cú kt qu cng truyn qua ca ruby nh sau: I=f() Ta cú kt qu s liu nh sau Bc súng (nm) I0... 1 5: Ph bc x ca ốn neon v ph truyn qua ruby c o bng h o hp th t ng 0.8 1.0 0.9 0.6 0.8 0.5 0.4 0.7 0.3 Độ truyền qua ) T( Độ truyền qua ) T( 0.7 0.6 0.2 0.5 0.1 0.0 0.4 400 450 500 550 600 650 700 750 B ớc sóng (nm) Hỡnh 1 6: hp th v truyn qua ca ruby c o bng h o t ng III.1.3 H o ph phỏt quang [1] Bỏo Cỏo Thc tp chuyờn 4 5 6 3 7 8 9 10 2 1 1: Ngun kớch thớch 2,4 H thng thu kớnh hi t 3 Giỏ mu 5:. .. (solution growth) Quỏ trỡnh thu nhit Nung chy II 3 K thut thm nh ruby nhõn to Ruby nhõn to thng cú cu trỳc v tớnh hon ho, mu sc ng u, trong tt, kớch thc ln Tuy nhiờn vỡ cú th sn d dng vi s lng ln nờn khụng cú tớnh him, vỡ vy giỏ tr ca ruby nhõn to so vi ruby t nhiờn trong lnh vc trang sc khỏc nhau rt xa phõn bit ruby nhõn to v ruby t nhiờn ngi ta thng phi kt hp nhiu phng phỏp cho kt qu chớnh... hp th ca ruby bng h o t ng ti Phũng thớ nghim Vt lý cht rn Bc 1: Bt cỏc ngun ca h o Bc 2: Chnh h o cho n nh phi sau 10 n 15 phỳt h o n nh Bc 3: t v trớ cỏch t ti cỏc v trớ gn vi cỏc v trớ ta cn o Chng hn, trong trng hp ny ta t cỏch t ca mỏy n sc 13.6 (tng ng vi bc súng l 406,32nm) Bc 4: Bt u o Bỏo Cỏo Thc tp chuyờn Ta tt ht in phũng M chng trỡnh phn mm mỏy vi tớnh ra Nhn chut vo õy Hỡnh 1 3: Cỏch... 450 500 550 600 650 700 B ớc sóng (nm) Hỡnh 9: Ph bc x ca ngun halogen v ph truyn qua ca ruby 5 1.0 0.8 3 0.6 2 0.4 1 0.2 0 0.0 350 400 450 500 550 600 650 B ớc sóng (nm) Hỡnh 1 0: hp th v truyn qua ca ruby Bỏo Cỏo Thc tp chuyờn 700 Độ hấp thụ A Độ truyền qua T 4 T cỏc ph trờn cỏc hỡnh cho thy rng cỏc kt qu o ca chỳng ta gn sỏt vi lý thuyt v cỏc ph ca ruby Tuy nhiờn, v hỡnh dng ph thỡ tng t nhng... lý qua phn mm Microcal Origin Nhn xột: Ta thy rng khi tin hnh qua h o t ng thỡ hỡnh dng ca cỏc ph vn khụng thay i Chỳng ch cú thay i mt ụi chỳt v v trớ cỏc nh Cú th gii thớch c cú s sai khỏc ny l do cỏc nguyờn nhõn sau õy: Cú th l do h o, do cỏch c ca chỳng ta v do mu ruby trong 2 cỏch o khỏc nhau Bỏo Cỏo Thc tp chuyờn Phổ đèn halogen I0=f( ) 2.5 Phổ truyền qua Ruby I=f( ) C ờng độ 2.0 1.5 1.0 0.5... 694,24nm II Phng phỏp ch to Ruby trong phũng thớ nghim v trong cụng nghip [3,6,7] Ruby ó ch to thnh cụng trong phũng thớ nghim v ch to vi s lng ln trong cụng nghip Mt s phng phỏp chớnh thng c s dng nuụi tinh th ruby, di õy logic tụi trỡnh by s lc, tụi khụng cú ý trỡnh by chi tit II.1 Phng phỏp tng hp t dng dch núng chy (melt growth) Qua cỏc bc nh sau Núng chy ngn la Núng chy bt Al2O3 + cht to thnh tinh . Lock-in Amplifier 17
Nhóm thực tập 25
Báo Cáo Thực tập chuyên đề
MỞ ĐẦU
1. Nơi thực tập:
Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa
Học. Thí nghiệm của khoa
vật lý.
Báo Cáo Thực tập chuyên đề
Phần chính của thực tập
I. Tổng quan lý thuyết về Ruby Al
2
O
3
: Cr
3+
[3,6,7]
Ruby (hồng ngọc hay
Ngày đăng: 25/01/2014, 06:24
Xem thêm: Tài liệu Báo cáo thực tập chuyên đề " Vật liệu Ruby Al2O3 : Cr3+ nhâm tạo " doc, Tài liệu Báo cáo thực tập chuyên đề " Vật liệu Ruby Al2O3 : Cr3+ nhâm tạo " doc, Phần chính của thực tập, I.2 Tính chất quang học, II. 3 Kỹ thuật thẩm định ruby nhân tạo