trờng đại học vinh khoa vật lý ---------- luận văn tốt nghiệp đại học nghiên cứu các quá trình tán xạ của tia X với vật chất Nghành học:Cử nhân khoa học Vật lý Chuyên nghành: Vật lý chất rắn Ngời hỡng dẫn khoa học: Th.S. Lu Tiến Hng Sinh viên thực hiện: Ngô sỹ phán Lớp 42E - Khoa Vật lý Vinh, Tháng 5 - 2006 1 Lời cảm ơn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đối với các thầy, cô giáo khoa Vật lý, Trờng Đại học Vinh đã tận tình giảng dạy và chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình học tập và rèn luyện tại trờng. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đối với thầy giáo Lu Tiến Hng, ngời đã trực tiếp giao đề tài, tận tình hớng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Nhân dịp này tôi xin gửi lời cảm ơn tất cả các bạn sinh viên lớp 42E khoa Vật lý nói riêng và các bạn sinh viên trong toàn khoa vật lý Đại học Vinh nói chung, đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ và động viên tôi hoàn thành luận văn này. Vinh, tháng 05 năm 2006. Tác giả Ngô Sỹ Phán 2 Mục lục Trang Mở đầu 4 Chơng I. Giới thiệu tia X 6 1. Bản chất tia X 6 2. Đặc điểm hình dáng phổ tia X 9 3. Thiết bị tia X 15 3.1. ống phát tia X 15 3.2. Máy phát tia X 16 4. Phơng pháp ghi nhận tia X 16 4.1. Phơng pháp ion hoá 16 4.2. Phơng pháp ghi nhân bằng phim ảnh 19 4.3. Phơng pháp huỳnh quang (phơng pháp nhìn bằng mắt) 20 5. Phơng pháp dùng đetectơ bán dẫn 21 5.1. Sự tạo ra các điện tử tự do có năng lợng lớn 21 5.2. Sự tạo thành các cặp điện tử - lỗ trống trong đetectơ bán dẫn 22 5.3. Sự thu thập điện tử và lỗ trống về các điện cực 22 Chơng II. Tán xạ của tia X bởi vật chất 24 1. Tơng tác của tia X với vật chất 24 1.1. Sự tán xạ 24 1.2. Hiệu ứng nhiệt 24 1.3. Sự truyền qua 24 1.4. Ion hoá nguyên tử 24 1.5. Hấp thụ quang điện 24 1.6. Hiệu ứng huỳnh quang tia X 25 2. Quá trình tán xạ đàn hồi của tia X với vật chất 25 2.1. Khái niệm 25 3 2.2. Bản chất quá trình tán xạ đàn hồi của tia X với vật chất 25 3. Quá trình tán xạ không đàn hồi của tia X bởi vật chất 29 3.1. Quá trình tán xạ không đàn hồi của tia X bởi vật chất 30 3.2. Tán xạ Rơnghen bởi vật chất 34 3.2.1. Trờng hợp nguyên tử chứa một điện tử 34 3.2.2. Trờng hợp nguyên tử chứa nhiều điện tử 37 Chơng III. Cờng độ tán xạ của tia X bởi vật chất 40 1. Độ suy giảm cờng độ 40 2. Vai trò các thành phần trong hệ số suy giảm à 42 3. Cờng độ tán xạ tia X bởi tinh thể nhỏ 43 4. Khả năng phản xạ của tinh thể 48 5. ảnh hởng của giao động nhiệt lên cờng độ tia tán xạ. 53 Tác nhân nhiệt độ 6. Cờng độ tán xạ bởi đa tinh thể 56 Kết luận 59 Tài liệu tham khảo 60 4 Më ®Çu 5 Trong cuộc sống mà khoa học kỹ thuật đã và đang phát triển mạnh mẽ nh hiện nay, các ngành khoa học kỹ thuật đều đòi hỏi tìm tòi các nguyên - vật liệu mới để chế tạo ra những loại nguyên liệu đặc biệt mới, vật liệu đặc biệt sạch, bền, . để chế tạo các máy móc linh kiện đáp ứng các đòi hỏi ngày càng cao, càng hiện đại. Trong các lĩnh vực khác nhau này, vật lý chất rắn luôn đong smột vai trò quan trọng, quyết định trong sự phát triển này. Vật lý chất rắn đã tạo ra những nguyên vật liệu thoã mãn đợc các yêu cầu khác nhau cho các ngành khoa học kỹ thuật nh năng lơng hạt nhân, y học, điện tử, vi điện tử, . Vật lý chất rắn là môn học đã có từ lâu, nó nghiên cứu bản chất vật lý và các hiện tợng xảy ra trong các vật rắn. Để nghiên cứu vật rắn nói chung, cấu trúc tinh thể của nó nói riêng, có nhiều phơng pháp khác nhau. Một trong những phơng pháp để phân tích cấu trúc đó là phơng pháp nhiễu xạ tia X. Phơng pháp này đợc sử dụng rộng rãi trên thế giới cũng nh trong nớc để phân tích cấu trúc vi mô của vật chất nh cấu trúc tinh thể, kích thớc hạt của các vật liệu là kim loại, bán dẫn, gốm, vật liệu xây dựng, . Để phân tích thành phần của vật liệu, phơng pháp huỳnh quang tia X cũng là một phơng pháp tối u để thực hiện nhiệm vụ này. Hiện nay nhiều trung tâm nghiên cứu và trờng học đã có phòng phân tích cấu trúc riêng và các môn học nhằm giới thiệu các phơng pháp phân tích cấu trúc, phân tích thành phần hoá học của vật liệu cũng đã đợc giảng dạy và trao đổi. Tuy nhiên, do thời gian hạn chế về điều kiện học tập nên môn học vật lý chất rắn và các môn học khác có quan hệ vật lý cha đợc tìm hiểu một cách cụ thể và sâu sắc. Đặc biệt là các cơ sở để giúp ngời học có thể hiểu, lĩnh hội đợc các môn học một cách đầy đủ và chi tiết là còn hạn chế. Vì vậy tôi chọn đề tài Nghiên cứu các quá trình tán xạ của tia X với vật chất. Mục đích của đề tài là tìm hiểu bản chất vật lý của tia X và các quá trình tán xạ cũng nh cờng độ của tia X khi chúng tơng tác với vật chất. Nội dung luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận đợc trình bày bởi 3 chơng sau: Chơng 1. Giới thiệu tia X 6 Ch¬ng 2. T¸n x¹ cña tia X bëi vËt chÊt Ch¬ng 3. Cêng ®é t¸n x¹ tia x 7 Chơng i Giới thiệu tia X 1. Bản chất tia X Tia X (tia Rơnghen) là bức xạ sóng điện từ (nh sóng vô tuyến, sóng ánh sáng, hồng ngoại, tử ngoại), có bớc sóng = 0,1 ữ 30 A 0 , có năng lợng E = 100 đến 1KeV. Hình 1.1. Biểu diễn phổ bức xạ sóng điện từ theo E và và vị trí của nó trong mối liên quan với các phổ bức xạ. Năm 1895 W.C. Rơnghen nhà khoa học Đức đã phát hiện ra một loại tia lạ có khả năng tác động lên kính ảnh. Ông và những ngời đơng thời gọi đó là tia X nh một loại tia bí ẩn. Dần dần bản chất tia X đợc nhận biết và để ghi công ngời đầu tiên tìm ra tia X ngời ta gọi là tia Rơnghen. Từ đó đến nay thuật ngữ tia Rơnghen hay tia X đợc hiểu và dùng song song, tơng đơng nhau. Tia Rơnghen hay tia X đợc 8 Hình 1.1. Biểu diễn phổ bức xạ sóng điện từ theo E và , trong đó có tia X. Hình 1.2. Sơ đồ thí nghiệm sử dụng rộng rãi trong chuẩn đoán và điều trị bệnh, hay kỹ thuật thăm dò khuyết tật và đặc biệt trong phân tích cấu trúc vi mô của vật chất. Để hiểu rõ bản chất của tia X và ứng dụng của chúng trong phân tích cấu trúc ta xét thí nghiệm sau: Chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc có bớc sóng lên bề mặt một tinh thể nào đó dới một góc bất kỳ gọi là góc tới (góc giữa bề mặt tinh thể và chùm tia).Ta sẽ thu đợc tia phản xạ từ bề mặt đó, tia phản xạ nằm trong mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến N của mặt tinh thể và làm với mặt đó một góc chính bằng gọi là góc phản xạ. Sự phản xạ ánh sáng với điều kiện nh trên gọi là phản xạ DesCarter. Giải thích điều kiện phản xạ DesCarter nh sau: Ta biết bề mặt nguyên tử gồm những hàng nguyên tử. Xét một hàng nào đó theo trục OX trên đó có các nguyên tử O và A Dới tác động của điện trờng biến thiên tuần hoàn của sóng ánh sáng của các nguyên tử O và A . dao động cỡng bức và phát ra sóng thứ cấp có cùng tần số với sóng ánh sáng chiếu vào. Nên các sóng thứ cấp phát ra từ tâm O và A có hiện t- ơng giao thoa. Các sóng đó sẽ giao thoa cực đại nếu hiện tợng quang lộ giữa chúng chứa một số tia nguyên lần bớc sóng. Tức là hiệu pha bằng 2 nl = hay = nl 2 2 = (1.1) Từ hình (1.3) ta thấy đối với 2 sóng phát ra ừ O và A có hiệu quang lộ là: L = OF - AE = OA(cos- cos 0 ) (1.2) gọi OA = a ta có: L = a(cos- cos 0 ) (1.3) vậy điều kiện giao thoa cực đại là: 9 2 1 x 2 F Hình 1.3. Hình nón phản xạ A E cos = cos 0 + a n . (1.4) Nh vậy tia tán xạ nằm trên 1 mặt nón có trục trùng với ox gọi là hình nón phản xạ (hình 1.3). Tuy vậy phơng trình (1.4) chỉ có nghĩa khi: Cos = a n Cos o + (1.5) Từ đó ta thấy đại lợng a n phải đủ nhỏ. Nếu lấy phản xạ bậc 1 thì < a. Đối ánh sáng thờng bớc sóng cỡ 10 2 ữ 10 4 A o .Trong khi khoảng cách giữa các nguyên tử a thờng a < 10A o . Vậy chỉ có phản xạ bậc O mới có thể tồn tại, tức là thoả mãn điều kiện là: Cos < 1 lúc này = 0 . Hình nón phản xạ chứa hình kéo dài của tia tới tức là chứa tia đâm xuyên. Với giả thiết là tia X có cùng bản chất nh ánh sáng, chiếu chùm tia rơnghen lên bề mặt tinh thể và tuân theo các điều kiện Descartes.Tuy nhiên trong trờng hợp nói chung ta không thu đợc tia phản xạ. Nhng nếu thay đổi góc tới thì ứng với một số giá trị nào đó, có thể nhận đợc các tia phản xạ. Điều đó nối lên rằng đối với tia X phải có thêm một điều kiện nào đó mới thoả mãn điều kiện phản xạ.Thực vậy điều kiện Descartes là điêu kiện cùng pha đối với các sóng phát ra trên lớp bề mặt tinh thể. Nếu xét tới các sóng phát ra từ các lớp nguyên tử sâu hơn, ta thấy điều kiện Descartes là cha đủ. Xét hai lớp nguyên tử I (trên bề mặt) và II (nằm sâu hơn) (hình 1.4) gọi d là khoảng cách giữa hai lớp. Chùm tia rơnghen sẽ chiếu vào các nguyên tử nằm trên cả hai lớp các nguyên tử nằm ở O và A. Để thoả mãn điều kiện Descarter xét tia tán xạ 1 và 2 theo phơng xác định bởi góc (góc cũng chính là góc tới). Hiệu quang lộ giữa hai tia 1A1 và 2O2là: L = EA + AF = 2d sin . (1.6). 10 E F A 1 1 2 d I II 2 Hình 1.4. Sơ đồ thí nghiệm đối với 2 nguyên tử . quang tia X 25 2. Quá trình tán x đàn hồi của tia X với vật chất 25 2.1. Khái niệm 25 3 2.2. Bản chất quá trình tán x đàn hồi của tia X với vật chất. 3. Quá trình tán x không đàn hồi của tia X bởi vật chất 29 3.1. Quá trình tán x không đàn hồi của tia X bởi vật chất 30 3.2. Tán x Rơnghen bởi vật chất