TRƯỜNG……………………… KHOA…………………… Đề tài " TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X " Trêng THPT Nghi léc 3 GV: Hå Phi Cêng tel: 01683.751.477 **TiÓu luËn nµy dïng cho c¸c häc viªn Cao Häc chuyªn ngµnh VËt lÝ ** TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X: I- Tia X: Tia X là bức xạ điện từ năng lượng cao, chúng có nặng lượng trong khoảng từ 200ev đến 1Mev hay bước sóng trong khoảng từ 10 -8 m đến 10 - 11 m. II- Cách tạo ra tia X: Tia X được phát ra khi các điện tử hoặc các hạt mang điện khác bị hãm bởi một vật chắn và xuất hiện trong quá trình tương tác giữa bức xạ  với vật chất. Thông thường để tạo ra tia X người ta sử dụng điện tử vì để gia tốc điện tử đòi hỏi điện thế nhỏ hơn so với các trường hợp dùng các hạt mang điện khác. Tia X được tạo ra trong ống phát Rơn ghen thường làm bằng thuỷ tinh hay thạch anh có độ chân không cao, trong đó có hai điện cực catốt bằng vofram hay bạch kim sẽ phát ra điện tử và anốt dạng đĩa nghiêng 45 0 so với tia tới ( xem hình vẽ H1 và H2): H1: Hình vẽ mặt cắt cấu tạo của ống phát tia X: H2: ống phát tia X: (vật thật) Trờng THPT Nghi lộc 3 GV: Hồ Phi Cờng tel: 01683.751.477 **Tiểu luận này dùng cho các học viên Cao Học chuyên ngành Vật lí ** Cỏc in t c to ra do nung núng catot . Gia catot v anot cú mt in ỏp cao nờn cỏc in t c tng tc vi tc ln ti p vo anot . Nu in t ti cú nng lng ln lm bt ra cỏc in t lp bờn trong nguyờn t ca anot thỡ nguyờn t s trng thỏi kớch thớch vi mt l trng trong lp in t. Khi l trng ú c lp y bi mt in t ca lp bờn ngoi thỡ photon tia X vi nng lng bng hiu cỏc mc nng lng in t c phỏt ra. Nu ton b nng lng ca in t u chuyn thnh nng lng ca photon tia X thỡ nng lng photon tia X c liờn h vi in th kớch thớch v theo h thc: E = hc = ev hc ev . Khi ú photon tia X cú nng lng ln nht hay bc súng ngn nht l: swl = hc Thc t, ch khong 1% nng lng ca tia in t c chuyn thnh tia X, phn ln b tiờu tỏn di dng nhit lm anot núng lờn- v ngi ta phi lm ngui anot bng nc. H3: hỡnh v phỏc ha c ch bc x tia X v cụng thc tớnh b c Trêng THPT Nghi léc 3 GV: Hå Phi Cêng tel: 01683.751.477 **TiÓu luËn nµy dïng cho c¸c häc viªn Cao Häc chuyªn ngµnh VËt lÝ ** • Tớnh chất của tia X: - Khả năng xuyờn thấu lớn. - Gõy ra hiện tượng phỏt quang ở một số chất. - Làm đen phim ảnh, kớnh ảnh. - Ion húa cỏc chất khớ. - Tỏc dụng mạnh lờn cơ thể sống, gõy hại cho sức khỏe. Trêng THPT Nghi léc 3 GV: Hå Phi Cêng tel: 01683.751.477 **TiÓu luËn nµy dïng cho c¸c häc viªn Cao Häc chuyªn ngµnh VËt lÝ ** H4: Giải bước sóng ( tương ứng với tần số) của ánh sáng- Thang sóng điện từ. III- Nhiễu xạ tia X: 1- Hiện tượng nhiễu xạ: Nhiễu xạ là đặc tính chung của các sóng- là tập hợp của các tán xạ đàn hồi ( sau tán xạ bước sóng không đổi) đặc biệt từ các điểm khác nhau của tinh thể đảm bảo điều kiện là các tia trong quá trình này giao thoa khuếch đại lên nhau. Nếu tia X chiếu vào nguyên tử làm các điện tử dao động xung quanh vtcb của chúng, khi điện tử bị hãm thì phát xạ tia X. Quá trình hấp thụ và tái phát bức xạ điện tử này được gọi là tán xạ, hay nói cách khác photon của tia X bị hấp thụ bởi nguyên tử và photon khác có cùng năng lượng được tạo ra. Khi không có sự thay đổi về năng lượng giữa photon tới và photon phát xạ thì tán xạ là đàn hồi, ngược lại nếu mất năng lượng photon thì tán xạ không đàn hồi. Khi hai sóng rọi vào nguyên tử ( có nhiều điện tử) mà chúng bị tán xạ bởi điện tử theo hướng tới . Hai sóng phản xạ theo hướng tới cùng pha tại mặt phẳng tới vì chúng có cùng quãng đường đi trước và sau tán xạ.Nếu cộng hai sóng này sẽ được một sóng có cùng bước sóng nhưng có biên độ gấp đôi. Các sóng tán xạ theo các hướng khác sẽ không cùng pha tại mặt sóng nếu hiệu quang trình không bằng một số nguyên lần bước sóng. Nếu ta cộng hai sóng này thì biên độ sẽ nhỏ hơn biên độ sóng tán xạ theo hướng tới. Trêng THPT Nghi léc 3 GV: Hå Phi Cêng tel: 01683.751.477 **TiÓu luËn nµy dïng cho c¸c häc viªn Cao Häc chuyªn ngµnh VËt lÝ ** Như vậy, các sóng tán xạ từ mỗi nguyên tử sẽ giao thoa với nhau, nếu các sóng cùng pha thì xuất hiện giao thoa tăng cường, nếu lệch pha 180 0 thì giao thoa triệt tiêu. H5: Máy nhiễu xạ tia X: ( vật thật). H6: Cấu tạo cơ bản của máy phát nhiễu xạ tia X: Trêng THPT Nghi léc 3 GV: Hå Phi Cêng tel: 01683.751.477 **TiÓu luËn nµy dïng cho c¸c häc viªn Cao Häc chuyªn ngµnh VËt lÝ ** 2- Chỉ số Miller của mặt tinh thể: Chỉ số Miller của mặt phẳng tinh thể được xác định là nghịch đảo giao điểm phân số của mặt tinh thể cắt trên trục tinh thể x,y và z của ba cạnh không song song của ô cơ bản. Chỉ số Miller được xác định như sau: - Chọn một mặt phẳng không đi qua gốc tọa độ (0,0,0). - Xác định các tọa độ giao điểm của mặt phẳng với các trục x, y và z của ô đơn vị. Tọa độ giao điểm đó sẽ là các phân số. - Lấy nghịch đảo các tọa độ giao điểm này. - Quy đồng các phân số này và xác định tập nguyên nhỏ nhất của các tử số. Các số này chính là chỉ số Miller, kí hiệu là h,k và l. Một bộ chỉ số (hkl) biểu diễn kgông phải một mặt phẳng mà là biểu diễn một họ các mặt phẳng song song nhau. Trong cấu trúc tinh thể khoảng cách giữa các mặt phẳng song song gần nhau nhất có cùng chỉ số Miller được kí hiệu là d hkl trong đó h,k,l là chỉ số Miller của các mặt. Từ hình học ta có thể thấy rằng khoảng cách d hkl giữa các mặt lân cận song song trong tinh thể lập phương là: 2 1 hkl d = 2 2 2 2 h k l a   Trêng THPT Nghi léc 3 GV: Hå Phi Cêng tel: 01683.751.477 **TiÓu luËn nµy dïng cho c¸c häc viªn Cao Häc chuyªn ngµnh VËt lÝ ** với a độ dài véc tơ cơ sở của mạng lập phương( còn gọi là hằng số mạng). Các mặt phẳng (hkl) và (nh nk nl) , n là số nguyên, là song song nhau, nhưng khoảng cách giữa các mặt phẳng của mặt phẳng (nh nk nl) bằng 1/n khoảng cách giữa các mặt phẳng (hkl). 2- Định luật Bragg: Khi chiếu tia X vào vật rắn tinh thể thì xuất hiện các tia nhiễu xạ với cường độ và hường khác nhau. Các hướng này bị khống chế bởi bước sóng của bức xạ tới và bởi bản chất của mẫu tinh thể. Định luật Bragg được thiết lập năm 1913 thể hiện mỗi quan hệ giữa bước sóng tia X và khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử để xẩy ra hiện tượng nhiễu xạ. Giả sử có hai mặt phẳng nguyên tử song song AA’ và BB’ có cùng chỉ số Miller h,k,l và cách nhau bởi khoảng cách giữa các nguyên tử d hkl .Để đơn giản, cho mặt phẳng tinh thể của các tâm tán xạ nguyên tử được thay thế bằng mặt tinh thể đóng vai trò như mặt phản xạ gương đối với tia X tới. Giả sử hai tia x 1 và 2 đơn sắc,song song với bước sóng  chiếu vào hai mặt phẳng này dưới một góc  . Hai tia bị tán xạ bởi nguyên tử P và Q cho hai tia phản xạ 1’ và 2’ cũng dưới một góc  so với mặt phẳng này(xem hình vẽ). Sự giao thoa của tia X tán xạ 1’ và 2’ xẩy ra nếu hiệu quãng đường 1P1’ và 2Q2’ tức là đoạn SQ+QT bằng một số nguyên lần bước sóng. Như vậy điều kiện nhiễu xạ là: n = SQ+QT hay n = 2d hkl sin với n= 1,2,3…. gọi là bậc phản xạ. (1) Phương trình (1) chính là định luật Bragg biểu thị mỗi quan hệ giữa góc của tia nhiễu xạ với bước sóng của tia tới và khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử d hkl để xẩy ra hiện tượng nhiễu xạ trên tinh thể. Nếu định luật Bragg không được thảo mãn thì sự giao thoa thực chất sẽ không xẩy ra vì cường độ nhiễu xạ thu được là rất nhỏ. Trờng THPT Nghi lộc 3 GV: Hồ Phi Cờng tel: 01683.751.477 **Tiểu luận này dùng cho các học viên Cao Học chuyên ngành Vật lí ** H7: Mụ phng quỏ trỡnh tỏn x tia X trờn mng tinh th. VI- Mng o: Khi nghiờn cu cu trỳc tinh th bng phng phỏp nhiu x tia X thỡ bc tranh thu c ch l nh ca chựm tia b tinh th nhiu x ch khụng phi l nh chp cỏch sp xp cỏc nguyờn t trong tinh th. Bc tranh ny chớnh l hỡnh nh mng o ca tinh th v t ú ta phi suy ra mng thun( mng thc). Liờn h gia mng thun v mng o: G.R = 2.s nguyờn (2) Vi R l vộct tnh tin ca mng thun , G l vộct ca mng o. Hoc: nu gi a,b,c v a*,b*,c* l cỏc vộct n v ca ụ c bn trong mng thun v mng o, ta cú: a*.a = b*.b = c*.c = 1 v a*.b=b*.c=c*.a = 0. (3) tc l vộc t a* vuụng gúc vi b v c; b* vuụng gúc vi a v c; c* vuụng gúc vi a v b. Mng o cú tớnh cht quan trng sau õy: - Mi nỳt mng o tng ng vi mt mt phng (hkl) ca tinh th. - Vộc t mng o g hkl = ha*+kb*+lc* vuụng gúc vi mt phng mng(hkl) ca mng tinh th v g hkl = 1 hkl d . (4) - Mng o ca mng o l mng thc ca tinh th ó cho. S nhiu x tia X cú th c d oỏn nh mng o bng cỏch xõy dng hỡnh cu Ewald, da trờn c s: Cỏc im cui ca c hai vộc t súng ti k v vộc t súng phn x k u phi nm trờn hai nỳt ca mng o (iu ny c suy ra t nh lut Bragg). Hỡnh cu Ewald c xõy dng nh sau: - Xut phỏt t im cui ca k ,v vộc t k tỡm ra im u ca nú. - Ly im u ca k lm tõm,v hỡnh cu bỏn kớnh k , hỡnh cu ny ct mng o nỳt mng no thỡ ú chớnh l im cui ca k. Ta cú phng trỡnh: G = k k (5) i vi mt tinh th cho trc,ta cú nhn xột v hỡnh cu Ewald nh sau: - Hỡnh cu Ewald cú th ct mng o khụng ch mt im. iu ny tng ng vi phn x Bragg trờn nhiu h mt phng i vi cựng mt chựm tia ti. - Vi ln tng ng vi k nh,ta s cú hỡnh cu Ewald cú bỏn kớnh nh hn. V rừ rng khụng tn ti nỳt mng o nm ngoi mt cu bỏn kớnh 2/ cú th ct mt cu Ewald, do ú khụng th xy ra hin tng nhiu x tia x , bi vy mt cu bỏn kớnh 2/ l mt cu gii hn. Trờng THPT Nghi lộc 3 GV: Hồ Phi Cờng tel: 01683.751.477 **Tiểu luận này dùng cho các học viên Cao Học chuyên ngành Vật lí ** Nh vy, mi cu trỳc tinh th cú hai mng liờn hp vi nú, mng tinh th(mng thun) v mng o. nh nhiu x ca tinh th l mt bc tranh mng o ca tinh th. Hai mng ny liờn h vi nhau theo h thc (3). Do vy, khi ta quay tinh th trong giỏ ta quay c mng thc v mng o. Cỏc vộc t trong mng thc cú th nguyờn l: chiu di, cỏc vộc t trong mng o cú th nguyờn l: 1/chiu di. V- Cng nhiu x tia X: Nhiu x tia X ó chng t c kh nng ng dng rt hiu qu trong phõn tớch vi cu trỳc ca vt liu bi l nú cú th tớnh toỏn c v trớ cng nh cng tng i ca tia nhiu x vi chớnh xỏc cao. Do ú cú th so sỏnh cỏc giỏ tr tớnh toỏn vi cỏc giỏ tr o c xỏc nh cỏc thụng s mng v vỡ th xỏc nh c cỏc loi mng tinh th. Ngy nay da vo nh nhiu x chỳng ta ó xỏc nh c hu ht cu trỳc ca cỏc hp cht. tớnh toỏn cng nhiu x cỏch n gin nht l ta cng cỏc súng hỡnh sin vi biờn v pha khỏc nhau. Quỏ trỡnh xỏc nh cng nhiu x tia X c tin hnh theo ba bc sau: - Nhiu x tia X bi mt in t t do. - Nhiu x tia X bi mt nguyờn t. - Nhiu x tia X bi ụ mng c bn. a) Tỏn x bi mt in t: Thomson ó chng minh c cụng thc xỏc nh ccng tỏn x tia x bi mt in t ti khong cỏch r k t in t cú in tớch e v khi lng m l: I = I 0 4 2 2 4 e r m c .sin 2 2. (6) Trong ú I 0 cng tia X ti; c l tc ỏnh sỏng; 2 l hng tỏn x. b) Tỏn x bi mt nguyờn t: Nguyờn t gm cú ht nhõn tớch din dng v cỏc in t tớch in õm bao quanh. Tia x b tỏn x bi in t v ht nhõn. Tuy nhiờn, phng trỡnh (6) cho thy rng vỡ khi lng ca ht nhõn rt ln gp hng nghỡn ln khi lng ca in t nờn cú th b qua tỏn x tia ti bi ht nhõn. Do ú tỏn x ton phn trờn mt nguyờn t ch yu l do tỏn x ca tt c cỏc in t riờng bit. Theo hng thng s tỏn x s bng tng tỏn x bi tng in t riờng bit, tuy nhiờn iu ú khụng ỏp dng c cho cỏc hng khỏc vỡ cỏc in t cỏc v trớ khỏc nhau quanh ht nhõn s sinh ra súng tỏn x vi pha khỏc nhau v s giao thoa vi nhau. i lng tha s tỏn x nguyờn t f c s [...]... ** Trường THPT Nghi lộc 3 GV: Hồ Phi Cường tel: 01683.751.477 H16: hỡnh v cu to mỏy nhiu x bt B phn chớnh ca nhiu x k tia X l: Ngun tia X, mu, detecto tia x Chỳng c t nm trờn chu vi ca vũng trũn( gi l vũng trũn tiờu t) Gúc gia mt phng mu v tia x ti l - gúc Bragg Gúc gia phng chiu tia x v tia nhiu x l 2 Ngun tia x c gi c nh cũn detecto chuyn ng sut thang o gúc Bỏn kớnh ca vũng tiờu t khụng phi l mt... cui cựng trong trỡnh t x c nh cng ca tia nhiu x Phng phỏp tớnh toỏn cng tng t nh i vi tỏn x bi cỏc in t ti cỏc v tớ khỏc nhau trong nguyờn t song õy cú s khỏc pha do nguyờn t cỏc v trớ khỏc nhau trong ụ c bn Cng nhiu x: Cng chựm tia nhiu x c cho bi cụng thc: Vi l hm sỳng ca chm nhiu x, cn xc sut phn x tia X) , c cho bi: l tha s cu trc (hay cn gi l õy, vộct tn x ca chm nhiu x, l v tr ca nguyn t... ghi cng vi nhy cao v chớnh x c hn ó c s dng rng rói nghiờn cu n tinh th,ú l nhiu x k tia X K thut phõn tớch n tinh th trờn nhiu x k vụ cựng phc tp, tuy nhiờn vi s tr giỳp ca mỏy tớnh thỡ nhiu x k tia X ó cho phộp x c nh tớnh i xng , nh hng tinh th , hng s mng chớnh x c v cỏc c trng khỏc ca n tinh th, k c khi cha bit trc cu trỳc v cỏc thụng s ca ụ c bn 2- Phng phỏp xoay n tinh th: Gia nguyờn bc... cn fi l kh nng tỏn x ca nguyờn t Tng c ly trờn ton ụ n v PHN II: NGHIấN CU CU TRC VT LIU: PHNG PHP PHN TCH BNG TIA X NHIU X TIA X PHN TCH CU TRC VT LIU HUNH QUANG TIA X XC NH HM LNG NGUYấN T TRONG MU **Tiểu luận này dùng cho các học viên Cao Học chuyên ngành Vật lí ** Trường THPT Nghi lộc 3 I- GV: Hồ Phi Cường tel: 01683.751.477 Nhiu x n tinh th: Hai phng phỏp chớnh thc hin nhiu x n tinh th l phng... nhiu x c ghi nhõn bi cỏc vt nhiu x trờn phim Bc x tia X liờn tc s cho gii bc súng cn thit v chc chn tha món nh lut Bragg cho mi mt phng H8: A-Mt chựm tia X c hi t v chiu lờn mu vt nhiu x B- Ph **Tiểu luận này dùng cho các học viên Cao Học chuyên ngành Vật lí ** Trường THPT Nghi lộc 3 GV: Hồ Phi Cường tel: 01683.751.477 H9: nh nhiu x gm mt lot vt c trng cho tớnh i xng ca tinh th H10: nh nhiu x ca n... tinh th tri trờn phng Tia x n sc c chiu ti mu v cng tia nhiu x c thu bng detecto Mu c quay vi tc cũn detecto quay vi tc 2 , cng tia nhiu x c ghi t ng trờn giy, v t ú v c gin nhiu x ca mõu Kt hp vi nh lut Bragg, ta suy ra c cu trỳc v thụng s mng cho tng pha cha trong mu bt v cng ca tia nhiu x cho phộp x c nh s phõn b v v trớ nguyờn t trong tinh th Phng phỏp bt cho phộp x c nh c thnh phn húa... mt phng phỏp tuyn ú ca mt vựng s ct cu Ewald theo mt ng trũn giao tuyn v ch nhng nỳt o nm trờn giao tuyn ny mi cho tia nhiu x Nh vy, cỏc tia nhiu x s to nờn mt hỡnh trũn tia cú trc l trc vựng v gúc m l 2 , trong ú l gúc to bi tia X vi trc vựng ( xem hỡnh v H11) Giao tuyn ca nún tia nhiu x vi phim chớnh l dng hỡnh hc ca cỏc ng vựng trờn nh Laue Khi < 450 ng vựng cú dng elớp, ú l nh truyn qua ca mu... xoay n tinh th tha món iu kin nhiu x Bragg n = 2dhklsin , trong phng phỏp xoay n tinh th chựm tia x n sc ( = const) c chiu lờn n tinh th quay( thay i) quanh mt phng tinh th no ú, trong phng phỏp nh Luae chựm bc x vi ph liờn tc ( thay i) c ri lờn n tinh th ng yờn ( =const) 1- Sau õy ta tỡm hiu nguyờn lớ to nh nhiu x v mt s ng dng ca phng phỏp nh Laue: Chựm tia X liờn tc c chiu lờn mu n tinh th v tia. .. Nghi lộc 3 GV: Hồ Phi Cường tel: 01683.751.477 H17: Ph nhiu x (pic nhiu x) thu c bng phng phỏp bt Phng phỏp phõn tớch pha nh lng bng tia x da trờn c s ca s ph thuc cng tia nhiu x vo nng Nu bit mi quan h ú v o c cng thỡ cú th x c nh c nng pha Cỏc pha cha bit trong vt liu cú th x c nh c bng cỏch so sỏnh s liu nhn c t gin nhiu x tia x t thc nghim vi s liu chun trong sỏch tra cu, t ú ta tớnh c t l nng... v ph nhiu x tia x ca vt liu LaOFeAs **Tiểu luận này dùng cho các học viên Cao Học chuyên ngành Vật lí ** Trường THPT Nghi lộc 3 GV: Hồ Phi Cường tel: 01683.751.477 X c nh cu trỳc tinh th lp phng: Vic x c nh cu trỳc tinh th l rt quan trng, vỡ t ú cho phộp ta hiu c cỏc hin tng nh bin dng n hi, hỡnh dng hp kim v chuyn pha K thut nhiu x tia x cú kh nng x c nh c cu trỳc vt rn kt tinh ( õy ch x t trng hp . ** I- Nhiễu x đơn tinh thể: Hai phương pháp chính để thực hiện nhiễu x đơn tinh thể là phương pháp ảnh Laue và phương pháp xoay đơn tinh thể. Để thỏa mãn điều kiện nhiễu x Bragg n. ta tìm hiểu nguyên lí tạo ảnh nhiễu x và một số ứng dụng của phương pháp ảnh Laue: Chùm tia X liên tục được chiếu lên mẫu đơn tinh thể và tia nhiễu x được ghi nhân bởi các vết nhiễu x . lÝ ** H17: Phổ nhiễu x (pic nhiễu x ) thu được bằng phương pháp bột. Phương pháp phân tích pha định lượng bằng tia x dựa trên cơ sở của sự phụ thuộc cường độ tia nhiễu x vào nồng độ. Nếu