BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH QUÁCH VĂN PHỤC SỰ PHỤ THUỘC CƯỜNG ĐỘ PHÁT XẠ CỦA VẠCH PHỔ Ca II (393,366 nm) VÀO NĂNG LƯỢNG CHÙM LASER KÍCH THÍCH LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Nghệ An, 2015 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Trang tiêu đề QUÁCH VĂN PHỤC SỰ PHỤ THUỘC CƯỜNG ĐỘ PHÁT XẠ CỦA VẠCH PHỔ Ca II (393,366 nm) VÀO NĂNG LƯỢNG CHÙM LASER KÍCH THÍCH Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60 44 01 09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS TRỊNH NGỌC HOÀNG Nghệ An, 2015 ii Lời cảm ơn Bản luận văn hoàn thành nhờ trình nỗ lực thân hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Trịnh Ngọc Hoàng Thầy đặt toán, tận tình hướng dẫn, quan tâm, động viên giúp đỡ tác giả suốt thời gian hoàn thành luận văn Đối với tác giả, học tập nghiên cứu hướng dẫn thầy niềm vinh dự lớn lao Nhân dịp này, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Trịnh Ngọc Hoàng giúp đỡ quý báu nhiệt tình Tôi xin phép cảm ơn thầy cô tham gia giảng dạy, đào tạo lớp Quang học 21, cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật lý Công nghệ, Phòng đào tạo sau đại học, Ban lãnh đạo Trường Đại học Vinh, Ban lãnh đạo Trường Đại học Kinh tế – Kỹ thuật Long An tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập, nghiên cứu sở đào tạo Tôi bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp anh, chị học viên lớp Cao học 21 – chuyên ngành Quang học Trường Đại học Kinh tế – Kỹ thuật Long An động viên, giúp đỡ suốt trình học tập Với lời cảm ơn chân thành cho xin gửi đến ban Giám hiệu Trường THPT Cà Mau tạo điều kiện thuận lợi tốt cho học tập suốt năm học vừa qua, anh chị cao học khoá trước nhiệt tình giúp đỡ nhiệt tình suốt thời gian vừa qua Xin chân thành cảm ơn! Tác giả MỤC LỤC Trang tiêu đề i Lời cảm ơn ii Danh mục thuật ngữ viết tắt Danh mục hình vẽ .2 Danh mục bảng biểu Danh mục ký hiệu đại lượng vật lý MỞ ĐẦU CHƯƠNG CANXI VÀ TƯƠNG TÁC CỦA CANXI VỚI CHÙM LASER 1.1 Đại cương nguyên tố Canxi 1.2 Cấu trúc phổ tinh tế ion Ca II 10 1.2.1 Cơ sở khảo sát nguyên tử nhiều electron .10 1.2.2 Đặc trưng tương tác [L, S] .15 1.2.3 Sơ đồ cấu trúc phổ tinh tế ion Ca II .24 1.3 Tương tác chùm laser với vật rắn 30 1.4 Kết luận chương 35 CHƯƠNG KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CƯỜNG ĐỘ PHÁT XẠ CỦA VẠCH PHỔ Ca II (393,366 nm) VÀO NĂNG LƯỢNG CHÙM LASER KÍCH THÍCH 35 2.1 Các chế kích thích mẫu 36 2.2 Cơ sở kỹ thuật phổ laser phát xạ nguyên tử 44 2.2.1 Máy quang phổ phát xạ nguyên tử kích thích laser 44 2.2.2 Những sở để chọn vạch phổ khảo sát 46 2.2.3 Độ nhạy phổ 47 2.2.4 Một số phương pháp phân tích quang phổ phát xạ 48 2.3 Ảnh hưởng lượng chùm laser kích thích lên cường độ phát xạ vạch phổ Ca II (393,366 nm) .53 2.4 Kết luận chương 57 KẾT LUẬN .58 Danh mục công trình tác giả 58 Tài liệu tham khảo 59 anh mục thuật ngữ viết tắt Ký hiệu Diễn giải Laser induced breakdown spectroscopy LIBS (Kỹ thuật quang phổ kích thích laser) DP – LIBS Double pulse laser induced breakdown spectroscopy (Kỹ thuật quang phổ kích thích laser xung đôi) National Institute of Standards and Technology NIST (Viện tiêu chuẩn công nghệ quốc gia Hoa Kỳ) Atomic orbital AO (Oobitan nguyên tử) Laser – supported combustion wave LSCW (Laser hỗ trợ sóng đốt) Laser – supported detonation wave LSDW (Laser hỗ trợ sóng nổ) [L, S] Liên kết Russell – Saunder Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Q – switching Phương pháp điều biến độ phẩm chất Nd: YAG Neodymium – doped Yttrium Aluminium Garnet Danh mục hình vẽ Tên hình vẽ Hình Trang 1.1 Các trạng thái cấu hình p nd 25 1.2 Các trạng thái cấu hình p np1 26 1.3 Sơ đồ tạo thành vạch phổ 393,366 nm 396,846 nm Ca 28 II 1.4 Sơ đồ cấu trúc phổ tinh tế mức lượng ion Ca II 29 1.5 Các hiệu ứng lý hóa tương tác laser với vật chất 32 1.6 Tương tác chùm laser xung đơn với kim loại Canxi 34 2.1 Sự hấp thụ xạ lượng 36 2.2 Vạch lượng có mức 40 2.3 Vạch lượng có mức 41 Cấu tạo máy quang phổ phát xạ LSS–1 2.4 45 a – cấu tạo tổng quan LSS–1; b – cấu tạo cụm quang – LSS–1 2.5 Đường chuẩn phân tích định lượng 53 2.6 Sự phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Ca II (393,366 nm) 55 vào lượng chùm laser: a – Cường độ vạch phổ lần đo; b – Cường độ vạch phổ trung bình Danh mục bảng biểu Bảng Tên bảng Trang 1.1 Một số đặc trưng nguyên tố Canxi 1.2 Giá trị số lượng tử S tương ứng với số điện tử 19 1.3 Bảng tóm tắt số hạng trạng thái mức lượng kích thích 26 tương ứng 2.1 Thông số kỹ thuật máy quang phổ phát xạ LSS–1 46 2.2 Dãy chuẩn phương pháp đường chuẩn 52 2.3 Số liệu thực nghiệm cường độ vạch quang phổ phát xạ vạch Ca 54 II (393,366 nm) tương ứng với lượng khác Danh mục ký hiệu đại lượng vật lý Đại lượng Diễn giải  n ,l , m Hàm sóng N Số lượng tử L Số lượng tử quĩ đạo S Spin ms Số lượng tử từ spin J Mômen động lượng tổng cộng L Mômen động lượng quỹ đạo tổng cộng S Mômen spin tổng cộng  Độ bội l ML Hình chiếu mômen quỹ đạo toàn phần MS Hình chiếu mômen spin toàn phần E Năng lượng tương tác EJ , J 1 Khoảng cách hai mức liền kề J J + E0 Năng lượng nguyên tử trạng thái En Năng lượng nguyên tử trạng thái kích thích h Hằng số Plank C Vận tốc ánh sáng  Tần số xạ  Bước sóng xạ ∆t Thời gian trễ hai xung cặp laser xung đôi Aki , Bki Hệ số Einstein  ( ki ) Mật độ lượng khối Nk , Ni Số nguyên tử k Hằng số Boltzman g Trọng số thống kê f ik Hằng số lực M Khối lượng nguyên tử k Thời gian sống I Cường độ vạch quang phổ C Hàm lượng nguyên tố khảo sát mẫu a Hằng số điều kiện thực nghiệm b Hằng số chất vật mẫu x Độ ion hóa nguyên tử nhiệt T Nhiệt độ P Áp suất khí Nj0 Mật độ ion Ej Năng lượng ion hoá MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Kỹ thuật quang phổ kích thích laser (laser induced breakdown spectroscopy – LIBS) kỹ thuật phân tích liệu quang phổ vạch phát xạ bao gồm thông số như: bước sóng, phân bố phổ, cường độ vạch phổ, độ rộng vạch phổ[13] LIBS sử dụng tác nhân kích thích chùm tia laser xung để bắn phá mẫu vật, tác dụng laser xung, vật chất mẫu tương tác với laser kích thích chuyển thành thể plasma Ở trạng thái plasma nguyên tử, ion tiếp tục nhận lượng chuyển lên trạng thái kích thích sau hình thành phổ phát xạ chứa thông tin mẫu vật Trên thực tế LIBS nói riêng phương pháp phân tích quang phổ nói chung có nhiều ứng dụng thực nhiều phương pháp khác [28] Một số ứng dụng quan trọng LIBS phân tích phân bố theo lớp nguyên tố bên mẫu vật, nghiên cứu hình thành vi hạt có kích thước nanômét, phân tích thành phần cấu trúc mẫu [25], [26], xác định kim loại nặng độc hại [12], [28] Ngoài ra, kỹ thuật LIBS ứng dụng rộng rãi lĩnh vực khác môi trường [21], [8], công nghiệp [22], địa chất [27], vũ trụ [14], quốc phòng [16], nha khoa [9], … Chính có ứng dụng rộng rãi mà kỹ thuật LIBS có vai trò quan trọng đời sống, kỹ thuật Trong tất ứng dụng LIBS cường độ vạch phổ phát xạ liệu quan trọng mà cần phải xem xét Một số nghiên cứu sử dụng tác nhân kích thích laser hai xung dùng kỹ thuật LIBS (double pulse laser induced breakdown spectroscopy – DP-LIBS) cho kết cường độ vạch phổ phát xạ độ nhạy vạch phổ tăng kể so với laser xung đơn [15], [23], [24] Trong nhiều nghiên cứu sử dụng LIBS, Ca nguyên tố ý đặc biệt nhiều chuyên gia Sở dĩ Ca có mặt khắp nơi thế, chiếm hàm lượng không nhỏ thể sống Nguyên tố kim loại Ca nguyên tố đa vi lượng có mặt hầu hết thể sống Canxi nguyên tố mà ứng dụng nhiều để làm vật liệu chế tạo Bên cạnh đó, việc khảo sát có mặt hàm lượng kim loại nói chung Ca nói riêng mẫu cần thiết Ví dụ hàm lượng kim loại Ca máu số quan trọng cho biết tình trạng sức khỏe người [25]; hàm lượng Ca thực phẩm cho biết độ giàu Ca thực phẩm đó; Ta biết, liệu cường vạch độ phát xạ kim loại Canxi nói riêng nguyên tố khác nói chung có phụ thuộc nhiều vào yếu tố nồng độ nguyên tử có mẫu, điều kiện khảo sát môi trường (nhiệt độ, áp suất, …), đặc trưng chùm laser kích thích (độ dài xung, lượng kích thích, thời gian trễ, phương truyền [25], [29] Chính vậy, luận điểm khoa học phụ thuộc cường độ vạch quang phổ phát xạ vào yếu tố môi trường, nguồn kích thích phổ, … đặc biệt đặc trưng chùm laser kích thích quan trọng Do đó, ứng dụng kỹ thuật LIBS để khảo sát phụ thuộc cường độ phổ phát xạ vạch phổ Canxi vào đặc trưng chùm laser cụ thể lượng chùm laser việc làm cần thiết Trên lý mà tác giả chọn đề tài nghiên cứu “ Sự phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Ca II (393,366 nm) vào lượng chùm laser kích thích” làm đề tài luận văn tốt nghiệp Mục đích nghiên cứu Khảo sát phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Ca II (393,366 nm) vào lượng chùm laser kích thích Nghiên cứu nhằm mục đích rút luận điểm làm cho khảo sát phổ phát xạ nguyên tử Ca kích thích chùm laser Nhiệm vụ nghiên cứu Xây dựng sơ đồ cấu trúc phổ tinh tế mức lượng Ca II sở đặc trưng tương tác (L,S); Mô tả trình vật lý xảy chùm laser tương tác với vật mẫu Canxi , sơ để giải thích cho kết thực nghiệm tác giả Xử lý số liệu thực nghiệm, dựng đồ thị thể phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Ca II 393,366 nm vào lượng chùm laser kích thích Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung luận văn giới hạn việc xây dựng sơ đồ cấu trúc tinh tế mức lượng ion Ca II; Khảo sát tác động lượng (một đặc trưng chùm laser) lên cường độ vạch phổ phát xạ Ca II (393,366 nm) mẫu kim loại Cãni việc sử dụng kỹ thuật LIBS máy quang phổ LSS-1 Phương pháp nghiên cứu Trong luận văn này, sử dụng kết hợp phương pháp lý thuyết phương pháp thực nghiệm Phương pháp lý thuyết sử dụng kết hợp với phương pháp thu thập xử lý thông tin từ nhiều nguồn liệu tin cậy để xây dựng sơ đồ cấu trúc tinh tế mức lượng Ca II Phương pháp thực nghiệm sử dụng máy quang phổ LSS-1 áp dụng kỹ thuật LIBS để khảo sát ghi số liệu cường độ vạch phổ phát xạ tác động chùm laser với giá trị lượng kích thích khác Từ đó, xử lí số liệu dựng đồ thị nhờ trợ giúp gói phần mềm microsoft office 2013 Giả thuyết khoa học Chúng cho cường độ phát xạ vạch phổ Ca II (393,366 nm) phụ thuộc vào thời lượng chùm laser kích thích Căn đặc điểm động học tương tác chùm laser với vật mẫu trình lý hóa xảy plasma, cho rằng, lượng tăng dần, cường độ vạch phổ phát xạ tăng bắt đầu giảm từ giá trị lượng đặc biệt Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn trình bày theo chương: Chương 1: Canxi tương tác Canxi với chùm laser Chương 2: Khảo sát phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Ca II (393,366 nm) vào lượng chùm laser kích thích 48 Độ nhạy tương đối (còn gọi độ nhạy nồng độ) nồng độ nhỏ nguyên tố phải có mẫu phân tích để phát hai vạch phổ đặc trưng nguyên tố Còn nhỏ nồng độ ta tìm vạch đặc trưng nguyên tố phổ mẫu phân tích Ví dụ, phát hai vạch phổ đặc trưng nguyên tố Pb nguồn hồ quang với nồng độ mẫu ≥ 0,00007 % Đó nồng độ nhỏ để phát nguyên tố Pb theo vạch phổ phát xạ đặc trưng nguyên tố Pb điều kiện định chọn Cũng khái niệm trên, nguyên tố khác có độ nhạy tương đối khác Trong phân tích người ta hay dùng khái niệm độ nhạy tương đối cần thiết dùng khái niệm độ nhạy tuyệt đối, dùng khái niệm độ nhạy nồng độ dễ so sánh độ nhạy nguyên tố với Như vậy, khả chứng minh nguyên tố phụ thuộc vào độ nhạy phổ nguyên tố Nguyên tố nhạy phổ phát nguyên tố nồng độ nhỏ Nồng độ xuất số vạch ion Ca II thể bảng 2.2 Bảng 2.2 – Nồng độ % số vạch đặc trưng ion Ca II Nguyên tố Vạch phổ (nm) Cường độ Nồng độ xuất (%) Ca II 315,887 20 0,05 317,933 50 0,02 393,367 4420R 0,0005 396,847 2200R 0,001 422,673 1100R 0,003 2.2.4 Một số phương pháp phân tích quang phổ phát xạ Trong phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử người ta thường sử dụng hai phương pháp phân tích quang phổ phat xạ Hai phương pháp 49 phương pháp phân tích định tính phương pháp phân tích định lượng để khảo sát thông số tính chất mẫu vật  Phương pháp phân tích định tính Khi cung cấp lượng để hóa hơi, nguyên tử hóa mẫu phân tích kích thích đám nguyên tử phát xạ thu phổ phát xạ mẫu phân tích Phổ gồm ba thành phần: phổ vạch nguyên tử ion, phổ đám phân tử nhóm phân tử, phổ liên tục Khi bị kích thích, nguyên tử ion phát chùm xạ quang học gồm nhiều tia có bước sóng khác nằm dãy phổ quang học (190 – 1100nm) Chúng ta thu, phân li ghi chùm sáng lại dải phổ gồm vạch phát xạ nguyên tử ion nguyên tố có mẫu Trong tập hợp vạch phổ đó, nguyên tử hay ion lại có số vạch đặc trưng riêng Phương pháp phân tích quang phổ phát xạ định tính dựa sở có mặt vạch đặc trưng nguyên tố có mẫu phân tích để nhận biết nguyên tố [1,3] Khi phân tích nguyên tố đó, mà không thấy phổ có vạch đặc trưng nguyên tố cần phải khảo sát yếu tố khác Có thể nồng độ nhỏ nên phổ không lên vạch đặc trưng đó, chồng lấn vạch phổ mà với máy với quang phổ độ tán sắc cao nên không phân tách Vì ta dựa vào vạch mà phải quan sát nhiều vạch đặc trưng khác ( ba vạch đặc trưng ) phải có vạch cuối Phân tích phổ định tính có yếu tố gây khó khăn cho phép phân tích như: xuất vạch phổ trùng, vạch quấy rối phổ đám Sau vài phương pháp để loại bỏ yếu tố ảnh hưởng trên: + Lợi dụng tính chất bay khác nguyên tố theo thời gian để chọn thời gian ghi phổ cho thích hợp + Chọn điều kiện nguồn lượng kích thích phổ phù hợp, để tạo kích thích phổ có ưu tiên chọn lọc + Chọn môi trường kích thích phổ cho phù hợp 50 + Chọn máy quang phổ có độ phân giải lớn vùng phổ phù hợp để thu, phân li ghi phổ mẫu phân tích Mục đích phân tích phổ phát xạ định tính phát nguyên tố, chủ yếu kim loại mẫu phân tích có hai kiểu định tính: phân tích định tính phần phân tích định tính toàn diện Phân tích định tính phần tức kiểm tra xem mẫu phân tích có chứa nguyên tố mà người ta cần quan tâm để khảo sát Phân tích định tính toàn diện phải xác định mẫu có tổng cộng nguyên tố Từ thực tế phân tích nguyên tố mẫu nên người ta có số cách quan sát định tính dựa theo phổ phát xạ mẫu: phương pháp quan sát trực tiếp màn, phương pháp so sánh phổ phương pháp phổ chuẩn Phương pháp quan sát trực tiếp nguyên tắc ảnh máy quang phổ người ta đặt mờ, mờ có đánh vị trí vạch đặc trưng số nguyên tố định Đồng thời bố trí hệ thống thấu kính lúp phóng quan sát trực tiếp ảnh Nguyên tắc xác định định tính nguyên tố X theo phương pháp so sánh phổ phải ghi phổ nguyên tố X nguyên chất liền kề với phổ mẫu phân tích Rồi tìm nhóm vạch đặc trưng nguyên tố X mẫu nguyên chất so sánh nhóm vạch phổ đặc trưng với phổ mẫu phân tích mẫu Phương pháp phổ chuẩn dùng atlas vạch phổ kèm theo loại máy quang phổ xác định để so sánh Trên sở kết thu từ phương pháp mà kết luận có hay nguyên tố cần khảo sát mẫu phân tích  Phương pháp phân tích định lượng Phương pháp phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử định lượng dựa sở nồng độ nguyên tố cần phải xác định cường độ vạch phổ phát xạ nguyên tố phát có mối quan hệ tuyến tính đơn trị nguyên tố bị kích thích điều kiện thích hợp: I   f (C ) (2.43) 51 Trong I  cường độ vạch phổ phát xạ, C nồng độ nguyên tố có mẫu phân tích Từ phương trình Lomakin – Scheibe (2.23), có số mẫu chuẩn ban đầu có nồng độ C biết xác, ví dụ C1, C2, … Cn xác định cường độ vạch phổ phát xạ I  tương ứng, dựng dường chuẩn I – C, từ dễ dàng tìm nồng độ Cx chưa biết Nhưng trước năm 1965 không xác định trực tiếp cường độ phát xạ I  vạch phổ, mà người ta phải chiếu chùm sáng phát xạ cường độ I  lên kính ảnh Sau xác định độ đen kính ảnh vị trí mà chùm ánh sáng chiếu vào Độ đen S tính theo công thức: S   log.I   (2.44) hệ số nhũ tương kính ảnh Thay phương trình Lomakin – Scheibe vào phương trình (2.44) ta có phương trình hệ sau: S   b.log.C  k  (2.48) với k   log a , trường hợp thực nghiệm phương trình có dạng: S   b.log C  k (2.49) Phương trình (2.44) phương trình (2.49) gọi phương trình phép phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử định lượng Kỹ thuật LIBS cho phép thể trực tiếp kết cường độ phát xạ nguyên tử, giới hạn luận văn kết giải thích theo phương trình Lomakin – Scheibe Có nhiều phương pháp phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử đinh lượng thường dùng là: phương pháp đường chuẩn, phương pháp đồ thị chuẩn không đổi, phương pháp thêm tiêu chuẩn, phương pháp theo mẫu chuẩn Phương pháp đường chuẩn dựa theo phương trình phép đo phổ phát xạ phương trình Lomakin – Scheibe, muốn xác định nồng độ Cx nguyên tố X mẫu đó, trước hết phải chuẩn bị dãy mẫu đầu có chứa nguyên tố X với nồng độ C1, C2, C3, C4, C5 điều kiện mẫu phân tích Sau chuẩn bị xong mẫu đầu mẫu 52 phân tích, tiến hành hóa hơi, nguyên tử hóa, kích thích phổ ghi phổ mẫu theo điều kiện phù hợp chọn Tiếp chọn vạch phân tích để đo cường độ I  theo hai phương trình tuỳ thuộc vào hệ thống trang bị phòng thí nghiệm (bảng 2.2), tiếp đến tính giá trị trung bình cường độ vạch phổ tương ứng với nồng độ Rồi từ cặp giá trị ( I  /C) ta dựng đường chuẩn theo hệ tọa độ I  – C Đường đường chuẩn để xác định nồng độ Cx chưa biết nguyên tố phân tích X Muốn ta cần đem giá trị Ix có lên trục tung từ kẻ đường song song với trục hoành cắt dường chuẩn điểm Từ điểm ta kẻ đường thẳng vuông góc với trục hoành ta tìm giá trị Cx cần tìm (hình 2.5) Bảng 2.2 – Dãy chuẩn phương pháp đường chuẩn Chất Chất phân tích X Dãy chuẩn C0 C1 C2 C3 C4 C5 Các chất khác (nền, môi trường) Giá trị I  Như tất mẫu I0 I1 I2 I3 I4 I5 Phương pháp thuận lợi ta phân tích hàng loạt mẫu đối tượng, cần đường chuẩn xác định nhiều mẫu có nồng độ Cx chưa biết Nồng độ nguyên tố có mẫu biểu diễn theo khái niệm: nồng độ phần trăm (%), nồng độ phần triệu (ppm) đơn vị ước số, nồng độ microgam (µg/mL) đơn vị ước số 53 Ix Cx C Hình 2.5 – Đường chuẩn phân tích định lượng 2.3 Ảnh hưởng lượng chùm laser kích thích lên cường độ phát xạ vạch phổ Ca II (393,366 nm) Trong nghiên cứu mẫu kim loại Canxi gắn vào cụm quang – máy quang phổ LSS-1 không khí điều kiện thường Máy quang phổ thiết lập thông số sau: E = 9,5 ÷ 17 J; ∆t1 = 130 μs; ∆t1 = 130 μs; n = xung Năng lượng bơm cho chùm laser kích thích điều chỉnh tăng dần 0,5 J Thực tế, lượng kích thích chùm laser tác động trực tiếp vào mẫu Ca nhỏ nhiều mức lượng bơm, vài chục mJ, mát đường truyền Tuy nhiên mát ổn định không ảnh hưởng đến kết nghiên cứu Với giá trị lượng laser xung kích thích, thực lần đo cường độ phát xạ lần, sau lấy trung bình cộng Dữ liệu phổ máy tính ghi lại cách tự động thông qua phần mềm chuyên dụng hãng LOTIS TII Số liệu thực nghiệm ghi nhận vào ngày 13/12/2014 với trợ giúp nhóm nghiên cứu Đại học Tổng hợp Quốc gia Berarus trình bày bảng số liệu (2.3): 54 Bảng 2.3 – Số liệu thực nghiệm cường độ vạch quang phổ phát xạ vạch Ca II (393,366 nm) tương ứng với lượng khác TT Năng lượng bơm (J) Cường độ phát xạ (a u.) Lần Lần Lần Trungbình 9.5 56.6 73.8 43.3 57.9 10 978.8 1075.2 1075.2 1043.1 10.5 1550.0 1597.8 1581.8 1576.5 11 8011.1 9911.1 9884.1 9268.8 11.5 14572.1 14684.9 14670.4 14642.4 12 22070.1 22111.4 22076.9 22086.1 12.5 28861.5 28927.6 28901.1 28896.7 13 33037.8 33093.4 33040.9 33057.3 13.5 34192.6 31192.6 39286.6 34890.6 10 14 38124.8 38124.9 38105.9 38118.5 11 14.5 40134.9 39627.9 41608.4 40457.0 12 15 42761.0 45760.9 45743.9 44755.3 13 15.5 46422.0 46335.9 44321.5 45693.1 14 16 27570.6 27428.4 27396.4 27465.1 15 16.5 18960.5 18504.9 20488.5 19318.0 16 17 18897.0 12567 12523.5 14662.5 Trên sở liệu phổ thu dựng đồ thị biểu diễn phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Ca II (393,366 nm) vào lượng laser kích thích hình (2.6a) (2.6b) 55 a) 60000 I (a.u.) 50000 40000 30000 20000 10000 E(J) 10 11 12 13 Lần 14 Lần 15 16 17 16 17 18 Lần b) 50000 45000 I (a.u.) 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 E (J) 10 11 12 13 14 15 18 Hình 2.6 – Sự phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Ca II (393,366 nm) vào lượng chùm laser: a – Cường độ vạch phổ lần đo; b – Cường độ vạch phổ trung bình 56 Hình (2.6a) thể kết thực nghiệm ba lần thực với máy quang phổ LSS–1 Các đường biễu diễn hình (2.6a) cho thấy biến thiên cường độ phát xạ vạch phổ Ca II (393,366 nm) lượng laser xung thay đổi tăng dần Hình (2.6b) biều đồ sử dụng số liệu trung bình ba lần đo Từ đồ thị hình (2.6a), (2.6b) ta thấy lượng đèn bơm tăng từ 9,5 J đến 15,5 J, tức lượng chùm laser kích thích tăng chưa đủ lớn cường độ phát xạ vạch Ca II 393,366 nm tăng tương đối nhanh; Sau cường độ phổ phát xạ giảm nhanh chóng lượng laser kích thích tăng (tương ứng với lượng bơm lớn 15,5 J) Kết giải thích sau: Khi xung laser kích thích đập vào mẫu kim loại Canxi, vật chất vùng bị đốt nóng nhanh chóng chuyển từ thể rắn sang plasma Trong vùng plasma nóng sáng Canxi tồn chủ yếu dạng nguyên tử ion (Ca, Ca+, Ca2+,…) trạng thái kích thích Nếu xét riêng ion Ca+ chúng tồn nhiều trạng thai kích thích khác (xem hình 1.3) Các trạng thái kích kích tồn khoảng thời gian ngắn, khoảng 10-8 s, trở trạng thái có mức lượng thấp đồng thời phát xạ có bước sóng tương ứng Đối với vạch đặc trưng Ca II (393.366 nm) phép chuyển từ số hạng P3/2 (3p64p) số hạng S1/2 (3p64s) Trong thời gian đó, có nhiều trình xảy vùng plasma: trình tự hấp thụ, ion hoá, trình kết hợp nguyên tố khối plasma (bao gồm nguyên tố mẫu không khí), trình bay hơi, hiệu ứng chắn,… Xét mặt định lượng cường độ phát xạ vạch phổ Ca II (393.366 nm) phụ thuộc vào mật độ nguyên tử Ca có mẫu mà ta khảo sát theo công thức (2.23) [17] Rõ ràng, hàm lượng Ca, Ca+, Ca2+,… plasma tỷ lệ với cường độ chùm laser kích thích Hay nói cách khác, cường độ chùm laser lớn lượng vật chất giải phóng từ mẫu vào vùng plasma nhiều, cường độ vạch phổ phát xạ lớn Tuy 57 vậy, mật độ Ca, Ca+, Ca2+,… plasma lớn trình tự hấp thụ tăng lên nhanh chóng làm cho cường độ phát xạ đến đầu thu máy quang phổ giảm mạnh [25], [26] Ngoài ra, cường độ chùm laser kích thích lớn, nhiệt độ plasma tăng nhanh trinh ion hóa chiếm ưu so với trình khác Hiện tượng làm cho mật độ ion Ca+ giảm (mặc dù hàm lượng tổng cộng Ca, Ca+, Ca2+,…trong palasma tăng) Quá trình định lượng hóa thông qua công thức Saha [18], [19], [26] Hơn nữa, lượng kích thích lớn (năng lượng bơm vượt 15,5 J) thể tích khối phasma bùng nổ mức làm cho ion, có Ca+, kết hợp với yếu tố bên tạo thành ion khác thành cách liên kết khác kèm theo trình bay hơi, dẫn đến cường độ phát xạ vạch phổ Ca II (393.366 nm) giảm 2.4 Kết luận chương Từ kết phân tích, từ liệu, số liệu thực nghiệm đồ thị vẽ khẳng định cường độ phát xạ vạch Ca (393,366 nm) phụ thuộc vào cường độ chùm laser kích thích cụ thể : chùm laser kích thích chưa đủ lớn cường độ vạch phát xạ tăng dần, tăng lương kích thích đến giá trị lượng kích thích tăng dần cường độ vạch phát xạ không tăng mà lại giảm dần, nguyên nhân vấn đề nhiều trình tạo nên trình sau chủ yếu: hấp thụ, trình ion hoá, kết hợp nguyên tố plasma với môi trường bên ngoài, bay ảnh hưởng yếu tố khác nhiệt độ, áp suất phòng thí nghiệm,… 58 KẾT LUẬN Trong luận văn này, vào đặc trưng tương tác mômen quỹ đạo với mômen spin điện tử liệu phổ Viện tiêu chuẩn công nghệ quốc gia Hoa Kỳ - NIST để xây dựng sơ đồ cấu trúc phổ tinh tế mức lượng ion Ca II Từ liệu, số liệu thực nghiệm đồ thị vẽ với phân tích khẳng định cường độ phát xạ vạch Ca II (393,366 nm) phụ thuộc vào lượng chùm laser kích thích Cụ thể: Khi lượng chùm laser kích thích tăng chưa đủ lớn cường độ vạch phát xạ Ca II (393,366 nm) tăng dần; Đến giá trị đó, lượng kích thích tăng đủ lớn cường độ vạch phát xạ không tăng mà lại giảm dần Nguyên nhân tượng nhiều trình plasma tạo nên, trình sau chủ yếu: Quá trình tự hấp thụ, ion hoá, trình kết hợp nguyên tố khối plasma (bao gồm nguyên tố mẫu không khí), trình bay Đó kết luận mà cần phải quan tâm áp dụng LIBS thực nghiên cứu khác như: Xác định hàm lượng nguyên tố Ca mẫu (máu người, thực phẩm, thân vỏ máy bay,…); Xác định phân bố Ca theo lớp cấu trúc thiết bị, sản phẩm đó;…Đó hướng phát triển đề tài 59 Danh mục công trình tác giả [1] Trịnh Ngọc Hoàng, Quách Văn Phục, Nguyễn Bá Đương, Sự phụ thuộc cường độ phát xạ của vạch phổ Ca II (393.366nm) vào lượng chùm laser kích thích, Thông tin Khoa học – Giáo dục, Trường Đại học Bạc Liêu Số 18 năm 2015, trang 76 – 82 [2] Trịnh Ngọc Hoàng, Nguyễn Bá Đương, Quách Văn Phục, Ảnh hưởng của thời gian trễ lên cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) kích thích chùm laser xung đôi, Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - TP Hồ Chí Minh, (Đã gửi báo cho Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật chờ kết đăng bài) Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Văn Đến, (2002), Quang phổ nguyên tử ứng dụng, NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, Tp Hồ Chí Minh [2] Đinh Văn Hoàng, (1974), Cấu trúc phổ nguyên tử, NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội [3] Phạm Luận, (2006), Phương pháp phân tích phổ nguyên tử, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội [4] Phạm Quý Tư, Đỗ Đình Thanh, (2005), học lượng tử, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội [5] Nguyễn Xuân Trường, Phạm Văn Hoan, Từ Vọng Nghi, Đỗ Đình Rãng, Nguyễn Phú Tuấn, , (2007), SGK Hoá Học 12, NXB Giáo dục, Hà Nội [6] Thư viện điện tử http://tai-lieu.com/tai-lieu/khoa-luan-tim-hieulaser-nd-yag-va-nhung-ung-dung-cua-laser-trong-y-te-6426/, truy cập ngày 24/03/2015 [7] Ronald Gautreau, William Savin, (2012), Vật lý hiện đại – lý thuyết tập, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội [8] Boueri, M et al, (2011), “Identification of polymer materials using laser-induced breakdown spectroscopy combined with artificial neural networks”, Appl Spectrosc, (65), 307 – 314 60 [9] Celen, S & Ozden, H., (2012), “Laser – induced novel patterns: As smart strain actuators for new - age dental implant surfaces”, Appl Surf Sci, (263), 579 – 585 [10] Cổng thông tin điện tử Đại học Windsor Canada http://www1 uwindsor.ca/people/rehse/15/what-is-libs, truy cập ngày 02/04/2015 [11] Cổng thông tin điện tử Viện tiêu chuẩn Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ http://physics.nist.gov/cgi-bin/ASD/lines1.pl, truy cập ngày 02/04/2015 [12] Cortes, J., Cespedes, E R., and Miles, B H., (1996), “Development of laser-induced breakdown spectroscopy for detection of metal contaminants in soils”, Technical Report IRRP – 96 – 4, U.S Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg, MS NTIS No AD A311 024 [13] Dr Reinhard Noll, (2012), Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, Springer Heidelberg Dordrecht London New York, ISBN 978-3-642-20667-2 [14] Dyar, M D etal, (2012), “Remote laser-induced breakdown spectroscopy analysis of east african rift sedimentary samples under mars conditions”, Chemical Geology, (294), 135 – 151 [15] F Colao, V Lazic, R Fantoni, S Pershin, (2014), “A comparison of single and double pulse laser - induced breakdown spectroscopy of aluminum samples”, Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, (57) ,1167 – 1179 [16] Gottfried, J L., DeLucia, F C., Jr., Munson, C A & Miziolek, A W., (2008), “Strategiesfor residue explosives detection using laser - induced breakdown spectroscopy”, J Anal At Spectrom, (23), 205 – 216 [17] H Hegazy, (2014), “Laser-induced breakdown spectroscopy: technique, new features, and detection limits of trace elements in Al base alloy”, Applied Physics B: Lasers & Optics, (115) Issue 2, 173 61 [18] J A Aguilera, C Aragon, (2007), “Multi – element Saha – Boltzmann and Boltzmann plots in laser – induced plasmas”, Spectrochimica Acta B, (62), 378 – 385 [19] J Plavcan, M et Al, (2012), “Sikhote - alin meteorite, elemental composition analysis using CF LIBS”, WDS'12 Proceedings of Contributed Papers, Part II, 123 – 127 [20] Jinghua Han and Yaguo Li (2011), “Interaction Between Pulsed Laser and Materials”, Lasers - Applications in Science and Industry, Dr Krzysztof Jakubczak (Ed.), ISBN: 978-953-307-755-0, InTech [21] Kasem, M A., Russo, R E & Harith, M A., (2011), “Influence of biological degradation and environmental effects on the interpretation of archeological bone samples with laser-induced breakdown spectroscopy”, Janal At Spectrom, 26, 1733 – 1739 [22] Noll, R et al, (2001), “Laser – induced breakdown spectrometry – applications for production control and quality assurance in the steel industry”, Specrochim Acta B, (56), 637 – 649 [23] P A Benedetti, G Cristoforetti, S Legnaioli, V Palleschi, L Pardini, A Salvetti, and E Tognoni, (2004), “Effect of laser pulse energies in laser induced breakdown spectroscopy in double – pulse configuration”, Spec – trochim Acta B, (60), 1392 – 1401 [24] T Hussain1, M A Gondal, (2013), “Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) as a rapid tool for material analysis”, Journal of Physics: Conference, (439), 012050 [25] Trinh Ngoc Hoang et al., (2014), “Quantitative estimation of Ca, Mg and Al content in biological fluids using the laser atomic – emission spectrometry irradiation”, Journal Vestnik BSU – Issue 1, Belarusian State University, 31 – 36 [26] Trinh Ngoc Hoang, I D Pashkovskaya, J I Buloichik, А P Zajogin (2012), “Investigation into the spatial distribution of Al, Ca, Mg, Zn in dried drops of proteins using atomic – emission multichannel laser 62 spectrometry”, Journal Vestnik BSU – Issue 1, Belarusian State University, 31 – 34 [27] Zhu, X et al, (2014), “Advanced statistical analysis of laserinduced breakdown spectroscopy data to discriminate sedimentary rocks based on czerny – turner and echelle spectrometers”, Specrochim Acta B, 93, – 13 [28] A Pichahchy, D Cremers, M Ferris, (1997), “Elemental analysis of metals under water using laser – induced breakdown spectroscopy”, Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, (52), Issue 1, 25 – 39 [29] A W Miziolek, V Palleschi, and I Schechter, (2006), Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS): fundamentals and applications, Cambridge University Press, Cambridge, UK [...]... phức tạp Khi chiếu xạ laser vào vật mẫu thì năng lượng laser sẽ được chuyển đổi thành năng lượng kích thích điện tử và sau đó truyền qua cho mạng tinh thể của vật mẫu thông qua sự va chạm giữa các điện tử và mạng tinh thể Sự bức xạ năng lượng laser gây ra một loạt các hiệu ứng như sự tăng nhiệt độ, quá trình bay hơi, quá trình ion hóa, … Các quá trình vật lí của sự tương tác giữa xung laser và vật chất... thì đối với những nguyên tử có nhiều điện tử, thì năng lượng của điện tử không những phụ thuộc vào các giá trị khác nhau của số lượng tử chính n, nghĩa là được đặc trưng bởi các mức năng lượng, mà còn phụ thuộc vào số lượng tử phụ l Mỗi phân mức năng lượng bao gồm một số các điện tử có cùng giá trị số lượng tử phụ l hợp thành, nghĩa là mỗi phân mức năng lượng đặt trưng cho một phân lớp điện tử hay lớp... sau khi chùm laser xung chiếu vào mẫu Canxi là một khối plasma bao gồm các phân tử độc lập, nguyên tử, ion và điện tử tự do Trạng thái bền vững của mẫu Canxi đã bị phá vỡ và theo quan điểm lượng tử, khi ta kích thích mẫu Canxi chuyển thành trạng thái plasma sẽ làm cho các điện tử chuyển động trong không gian của nguyên tử, của ion nhận năng lượng và chuyển lên mức kích thích có năng lượng cao hơn Khối... tử độc lập Vì năng lượng kích kích thích này vẫn còn nên các phân tử độc lập sẽ tiếp tục nhận được năng lượng và diễn ra quá trình nguyên tử hóa làm phá vỡ các liên kết bên trong phân tử tạo thành các nguyên tử Trong rất nhiều trường hợp năng lượng kích thích mẫu Canxi của chùm laser vẫn còn sẽ diễn ra quá trình ion hóa mẫu Canxi, làm cho các nguyên tử độc lập bị mất điện tử và chuyển thành các ion Canxi... bộ của các photon trong chùm tia laser làm cho laser có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây, nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn 31 Nguồn sáng laser có những tính chất nổi bật trên nên được dùng làm năng lượng kích thích sẽ giúp tăng đáng kể độ chính xác trong các phép đo quang phổ Nguồn sáng laser kích thích trong các phép đo quang phổ. .. tinh tế mức năng lượng của ion Ca II 30 1.3 Tương tác của chùm laser với vật rắn Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) hoạt động dựa trên nguyên lý khuyếch đại cường độ ánh sáng nhờ vào hiện tượng phát xạ cảm ứng Hiện tượng này đã được Albert Einstein đưa ra giả thuyết và đăng trên tạp chí Physikalische Zeitschrift vào năm 1917 Laser có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng... chuyển động trên các quỹ đạo ứng với mức năng lượng thấp nhất Khi đó các nguyên tử cơ bản và có liên kết giữa các thành phần bên trong mẫu rất bền vững Khi ta chiếu một chùm laser xung đơn vào mẫu kim loại Canxi sẽ làm đốt nóng vùng kim loại được chiếu vào Chùm laser có năng lượng cao sẽ cung cấp năng lượng cho các phân tử trong mẫu kim loại Canxi Năng lượng chùm tia laser đủ lớn sẽ làm tách các liên kết... số vạch là 2S vạch khi L  S , số vạch là 2L – 1 vạch khi L  S Dịch chuyển J  (J + 1) cho vạch phụ thứ hai có cường độ yếu nhất do biến thiên của J ngược chiều với số lượng tử L Số vạch phụ là 2S – 1 vạch khi L  S , và là 2L – 1 vạch khi L  S Tổng số vạch xuất hiện do sự dịch chuyển J  (J – 1) trong các 1 2 trường hợp trên là 6S vạch khi L  S  1 , có 6S – 1 vạch khi L  S  , và có 6L – 3 vạch. .. nguồn sáng laser có cường độ lớn nên phát quang từ mẫu cũng có cường độ lớn, dễ dàng ghi nhận, đặc biệt là đối với những hợp chất phát quang yếu + Vì nguồn sáng laser có tính đơn sắc cao nên dễ dàng thực hiện trừ phổ trong trường hợp phổ của laser xuất hiện trong phổ của mẫu vật ghi nhận được + Đặc biệt tính kết hợp về không gian và thời gian của nguồn sáng laser giúp cho phổ ghi nhận có độ phân giải... trạng thái kích kích tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn, khoảng 10-8s rồi sẽ trở về trạng thái cơ bản Khi trở về trạng thái cơ bản nguyên tử sẽ phát ra các photon năng lượng Các photon năng lượng này thực chất là các vạch phổ do sự chuyển các trạng thái của các số hạng tương ứng với mức năng lượng cao về số hạng tương ứng với mức năng lượng thấp tuân theo quy tắc chọn lọc Đối với ion Ca II trong ... Đường chuẩn phân tích định lượng 53 2.6 Sự phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Ca II (393,366 nm) 55 vào lượng chùm laser: a – Cường độ vạch phổ lần đo; b – Cường độ vạch phổ trung bình Danh mục... sát phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Ca II (393,366 nm) vào lượng chùm laser kích thích Nghiên cứu nhằm mục đích rút luận điểm làm cho khảo sát phổ phát xạ nguyên tử Ca kích thích chùm laser. .. tương tác Canxi với chùm laser Chương 2: Khảo sát phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Ca II (393,366 nm) vào lượng chùm laser kích thích 8 CHƯƠNG CANXI VÀ TƯƠNG TÁC CỦA CANXI VỚI CHÙM LASER 1.1