Bài giảng Sự nhiễu xạ tia X bởi tinh thể chất rắn

Bài giảng Sự nhiễu xạ tia X bởi tinh thể chất rắn tập trung làm rõ về nơron, hạt đơn, vật liệu rắn, sự nhiễu xạ từ một họ mặt của mạng tinh thể, 3 điểm quan trọng có thể rút ra từ phương trình Brag, hai góc nhiễu xạ giới hạn, sự nhiễu xạ trên tinh thể, sự tán xạ tia X bởi electron và một số nội dung khác.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Sự nhiễu xạ tia X bởi tinh thể chất rắnMột cách trực tiếp nhất để biết dạng của các vật thể là nhìn chúng.Nếu chúng quá nhỏ ta dùng kính hiển vi. Tuy nhiên với kính hiển vi thông thường có một giới hạn khi nhìn các vật nhỏ.Giới hạn đó ( “ giới hạn nhiễu xạ “ ) làm cho ta không thể thấy các vật có kích thước rất nhỏ hơn bước sóng được dùng để nhìn chúng. Bước sóng của ánh sáng nhìn thấy được khoảng 1 mm trong khi khoảng cách giữa các nguyên tử trong tinh thể vào khoảng vài A.Bước sóng của tia X : ~ vài , chục A.Ta có thể dùng các loại sóng khác có bước sóng nằmtrong khoảng vài Ao đến vài chục Ao.Từ Cơ học lượng tử : các hạt có bản chất sóng. Hạtchuyển động càng nhanh thì bước sóng càng ngắn .Hai loại hạt có thể gia tốc đến vận tốc đủ tạo ra sóngcó bước sóng ngắn đó là : nơtron và electron.Không thể phân biệt đượccác chi tiết bé hơn bướcsóng của bức xạ mà ta dùngđể quan sát chúng. Khoảngcách của các nguyên tửtrong tinh thể chỉ vàokhoảng Å .Muốn quan sát được cấutrúc bên trong tinh thể cầndùng những bức xạ cóbước sóng cỡ Å. Tia X : 12,4 l(A0) = E(keV)0,28 Với chùm neutronE(eV) 0,28 l(A0) = E(eV) Với chùm electron 12 l(A0) = E(eV)NơtronKhối lượng nơtron = 1,675x10-27 kgBước sóng điển hình 1- 0,01 nmVận tốc điển hình 400 – 40000 ms-1Năng lượng điển hình 0,8 – 8000 meVNhiệt độ điển hình 9 – 90000 K (nơtron nhiệt )Hạt đơnĐể hiểu được hiện tượng nhiễu xạ ta hãy xét điều gì xẩy rakhi một sóng tương tác với một hạt.Hạt tán xạ sóng tới đồng nhất theo mọi hướng.Vật liệu rắn Nếu các nguyên tử sắp xếp khôngcó trật tự, khi có sóng tới, các chùmtán xạ tăng cường và triệt nhau mộtcách hỗn loạn. Chúng không thể tăngcường lẫn nhau theo một chiều nàođó để cho chùm tia nhiễu xạ. Trong vật liệu kết tinh, các nguyêntử hay phân tử sắp xếp có trật tự, tuầnhoàn trong không gian, các chùm tánxạ cộng vào nhau theo một số chiềuvà tăng cường nhau để cho các chùmnhiễu xạ.Năm 1915 hai cha con nhà họBragg được giải thưởng Nobel vềnhững đóng góp trong lĩnh vựcphân tích cấu trúc tinh thể bằngphương pháp nhiễu xạ tia X.Năm đó W.L. Bragg mới 25 tuổi, làngười trẻ nhất được giải thưởng lớnnày. W.L. and W.H. BraggKhi góc tới bằng góc phản xạ nếu các tia đến mặt gươngđồng pha thì khi phản xạ vẫn đồng pha cho dù chúng đậpvào gương ở điểm nào.Khi góc tới và góc phản xạ bằng nhau : bc = ad , các tia phản xạtừ hai điểm của mặt có quang lộ như nhau nên hiệu pha giữachúng không đổi.Sự nhiễu xạ từ một họ mặt của mạng tinh thể Định luật Bragg Giao thoa tăng cường khi Định luật BraggCông thức Bragg là hệ quả của tính chất cơ bản của tinh thể là tính tuần hoàn màkhông liên quan gì đến thành phần hóa học của tinh thể cũng như cách sắp xếp củacác nguyên tử trong những mặt phẳng phản xạ. 3 điềm quan trọng có thể rút ra từ phương trình Bragg : (1) sin(q) tỷ lệ với 1/d : khoảng cách giữa các nguyên tử càng lớn thì góc nhiễu xạ càng nhỏ và ngược lại. Điều này cho thấy mối quan hệ nghịch đảo giữa sự sắp xếp thực của các nguyên tử và các vết nhiễu xạ dẫn tới khái niệm về không gian đảo.(2) sin(q) tỷ lệ với l : góc nhiễu xạ nhỏ khi bước sóng tia X nhỏ(3) Nhiễu xạ có cùng xác suất với n=1 và n= -1 : các vết nhiễu xạphân bố với một sự đối xứng nào đó. Hai góc nhiễu xạ giới hạn: = 0o : các tia không thay đổi chiều, quang lộ như nhau vớicác hạt ( không phụ thuộc vị trí của chúng ). Không cho thông tin về sự sắp xếp trong không gian củacác nguyên tử.q= 90o : tia phản xạ quay ngược lại nguồn. Hiệu quang lộ bằng2d -> chỉ thu được thông tin về khoảng cách bằng nửa bướcsóng sử dụng.Muốn có độ phân giải cao cần dùng bước sóng ngắn ( để phântích cấu trúc tinh thể phải dùng tia X mà không dùng ánh sáng) Với 2 nguyên tử : cường độ nhiễu xạ thay đổidần dần từ 0 khi hiệu quang lộ = (n+1/2) l đến cực đại khi hiệu quang lộ = n l Với nhiều nguyên tử cách đều nhau: cường độnhiễu xạ gần như bằng 0 với mọi góc trừ góc màtheo đó hiệu quang lộ bằng một số nguyên lần bướcsóng. Sự nhiễu xạ trên tinh thểPhương trình Bragg cho ta biết điều kiện xuất hiện và chiều củachùm tia phản xạ trên 1 họ mặt nào đó của một tinh thể đơn giảnP dựa trên giả thiết hạt tán xạ là 1 điểm đứng yên ở các nút mạng.Định luật Bragg(1) không cho biết về cường độ và độ rộng của các đỉnh nhiễu xạ(2) bỏ qua sự tán xạ khác nhau từ các nguyên tử khác nhau(3) bỏ qua sự phân bố của điện tích quanh hạt nhân.Sau đây ta sẽ xét sự nhiễu xạ tia X trong những điều kiện gần vớithực tế hơn. Sự tán xạ tia X bởi electronTán xạ Thomson(suy được từ lý thuyết bức xạ cổ điển của electron dao động)Nếu sóng tới dọc theo chiều Ox và ...