1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

KHOA VẬT LÍ

TIỂU LUẬN

NHIỄU XẠ TIA X VÀ ỨNG DỤNG

Sinh viên thực hiện:

Phan Xuân Việt Lớp: K72CLC Khoa Vật Lí

Ngày sinh: 03/07/2004

Mã sinh viên: 725103141

Môn học: Cơ sở Vật Lí 4

Họ và tên giảng viên:

Lê Minh Thư

2

I.

Sự tìm ra nhiễu xạ tia X:

Tia X là bức xạ điện từ có bước sóng vào khoảng 1 Å (= 10-10m).

Hình 1 cho thấy làm thể nào tia X được tạo nên khi các êlectrôn từ

một dây tóc được đốt nóng F, bị một hiệu điện thế V gia tốc và đập

lên một bia kim loại T. Chùm tia với các bước sóng cụ thể được tạo

ra nhờ đặc trưng của vật liệu làm bia kim loại (Cu, Fe, Mo, Cr), đồng

là vật liệu mục tiêu phổ biến nhất cho nhiễu xạ tinh thể đơn, với bức

xạ

𝐶𝑢𝐾𝛼 = 1.5418 Å

.

Một cách tử nhiễu xạ quang học tiêu chuẩn không thể dùng để phân biệt các bước sóng khác

nhau trong vùng phố tia X. Với A = 1 Å (= 0,1nm), một cách tử với

𝑑 ≈ 𝜆

là cần thiết, tuy

nhiên do các bước sóng tia X vào khoảng bằng đường kính của nguyên tử nên các cách tử

như vậy không thể gia công cơ học được.

Năm 1912 một nhà vật lí người Đức Max von Laue, cùng với các cộng sự

của mình (Walter Friedrich và Paul Knipping) phát hiện rằng một tỉnh thể

được cấu tạo bởi một mạng đều đặn các nguyên tử, có thể tạo nên một "cách

tử nhiễu xạ" tự nhiên ba chiều dùng cho tia X. Họ đã thực hiện thí nghiệm

tiên phong trên tinh thế Natri clorua (NaCl).

Họ phát hiện ra rằng nếu biết được khoảng cách giữa các nguyên tử trong tinh thể, thì có thể

đo được bước sóng của tia X, và ngược lại, nếu biết được bước sóng, thì các thí nghiệm nhiễu

xạ tia X có thể được sử dụng để xác định khoảng cách giữa các mặt phẳng trong một tinh thể.

Ba người đã được trao giải Nobel Vật lý cho những khám phá của họ về nhiễu xạ tia X.

II.

Nguyên lý nhiễu xạ tia X – Định luật Bragg

Một tỉnh thể như natri clorua (NaCl) chẳng hạn, có các ô cơ sở các nguyên tử (được gọi là ô

đơn vị) lập đi lập lại trong mạng. Trong NaCl bốn ion Na và bốn ion Cl kết hợp lại thành một

ô đơn vị. Hình 3 biểu diễn một phần tinh thể NaCl và các ô đơn vị đó. Tinh thế này là tinh thể

lập phương, các ô mạng do đó là một hình lập phương có mỗi cạnh là a

Hình 3: Hình ảnh nhiễu xạ đầu tiên từ tinh thể NaCl dưới góc nhìn 3D

(trái) và góc nhìn 2D (phải)

Hình 2: Max von Laue

Hình 1: Phương pháp tạo ra

tia X

3

Khi một chùm tia X đi vào một tỉnh thể như tinh thể NaCl, tia X bị tán xạ nghĩa là định hướng

lại theo những phương do cấu trúc tinh thể xác định. Theo một vài phương nào đó sóng tán

xạ giao thoa và bị triệt tiêu, kết quả cho những cực tiểu về cường độ, theo các phương khác

sự giao thoa lại làm tăng cường nên tạo ra các cực đại về cường độ. Quá trình tán xạ và giao

thoa là một dạng của nhiễu xạ mặc dù nó không giống như nhiễu xạ của ánh sáng qua một

khe hoặc qua một mép biên.

Hình 5 cho thấy ba họ mặt phẳng với khoảng cách giữa hai mặt phẳng kế tiếp là d. Từ các

mặt phẳng này các tia tới được xem là bị phản xạ. Ở mỗi lần phản xạ góc tới và góc phản xạ

được biểu diễn bằng góc

𝜃

. Các góc này được xác định đối với mặt phẳng phản xạ (mặt phẳng

được tô đậm) chứ không phải so với pháp tuyến như trong quang học thông thường. Trong

trường hợp của hình 5a khoảng cách giữa các mặt phẳng đúng bằng kích thước a của một ô

mạng.

Hình 6 cho thấy khi nhìn nghiêng các phản xạ từ một cập mặt phẳng kế tiếp. Các sóng của

các tỉa 1 và 2 khi đến tinh thể cùng pha với nhau. Sau khi phản xạ chúng vẫn còn cũng pha,

vì rằng các phản xạ và những mặt phản xạ được định nghĩa nhằm giải thích các cực đại cường

độ khi tia X nhiễu xạ qua một tỉnh thể. Khác với ảnh sáng, tia X không khúc xạ khi đi vào

tinh thể nên chúng ta không kể định nghĩa một chiết suất cho trường hợp này. Như vậy pha

tương đối giữa sóng của tia 1 và của tia 2 khi rời khỏi tỉnh thể chỉ duy nhất xác định bởi hiệu

số lộ trình. Để cho các tia này cùng pha với nhau hiệu lộ trình phải bằng một số nguyên lần

bước sóng của tia X.

Hình 4: Cấu trúc mạng tinh thẻ NaCl

Hình 6: Tia X bị phản xạ bởi một tập hợp

các mặt phẳng song song

Hình 5: Góc nhìn khác của hình 5

4

Từ hình 7 chúng ta tìm được:

𝐴𝐵 = 𝐵𝐶

=

𝑑. 𝑠𝑖𝑛



Điều này là đúng cho mọi cập mật kế tiếp trong

họ các mặt biểu diễn trong hình 6. Như vậy

chúng ta có hiệu quang trình:

𝐴𝐵 + 𝐵𝐶

=

2𝑑𝑠𝑖𝑛



Nếu đường đi AB+BC là một bội số của bước

sóng tia X (

𝜆

), thì hai sóng sẽ tạo ra giao thoa

tăng cường:

𝐴𝐵 + 𝐵𝐶

=

2𝑑𝑠𝑖𝑛



= 𝑚. 𝜆 ; 𝑚 = 1,2,3, …

(Bragg’s law)

Phương trình trên được gọi là định luật Bragg, trong đó m là bậc của cực đại cường độ của

phản xạ như đã giả thiết, góc đôi và góc phản xạ trong phương trình trên được gọi là góc

Bragg. Được đặt theo tên nhà vật lí người Anh W.L Bragg lần đầu tiên tìm ra nó. Năm 1915,

W.L Bragg cùng với cha của mình đã cùng được trao giải Nobel Vật lý cho các nghiên cứu

của họ, sử dụng quang phổ kế tia X, phổ tia X, nhiễu xạ tia X và cấu trúc tinh thể.

Bất kể góc mà tia X đi vào tỉnh thể bao giờ cũng có một họ các mặt phẳng mà từ đó tia X có

thể được xem là bị phản xạ để chúng ta có thể áp dụng định luật Bragg. Trong hình 6, cấu trúc

tỉnh thể có cùng định hướng như trong hình 4 nhưng góc mà chùm tia đi vào cấu trúc khác

với góc đã vẽ trong hình 5. Góc mới này đòi hỏi một họ mặt phẳng mới với khoảng cách ở

giữa chúng cũng khác với góc Bragg

𝜃

khác, nhằm để giải thích sự nhiễu xạ tia X thông qua

định luật Bragg.

Dựa trên tính toán đơn giản, chúng ta có thể chứng minh khoảng cách d giữa chúng liên hệ

với kích thước a của ô đơn vị:

5𝑑 =

√

𝑎

𝑜

2

+

(

2𝑎

𝑜

)

2

=

√

5𝑎

𝑜

(Pytago)

→ 𝑑 =

𝑎

𝑜

√

5

Biểu thức này đúng với những mặt trong hình 4,5,6,7.

Hình 7: Sơ đồ các tia phản xạ

Hình 9: Sir William Henry

Bragg (1862-1942)

Hình

8:

William

Lawrence

Bragg (1890-1971)

5

III.Phương pháp tạo nhiễu xạ, đo nhiễu xạ tia X:

Máy nhiễu xạ tia X gồm các thành phần chính: một ống phát tia X, một giá đỡ tinh thể, bộ đo

góc và một máy dò tia X (Connolly, 2007).

Giá đỡ tinh thể được đặt ở trung tâm của vòng tròn (gọi là goniometer) và có thể xoay quanh

trục trung tâm. Goniometer là một thiết bị dùng để duy trì góc và xoay mẫu, trong khi máy

dò tia X được gắn trên vành của goniometer và cũng có thể xoay quanh trục trung tâm. Khi

tinh thể được xoay ở một góc θ trên đường đi của chùm tia X chuẩn trực, máy dò tia X cần

được xoay ở một góc 2θ, nhiệm vụ này được lập trình sẵn cho Goniometer.

Quá trình tạo ra chùm tia X bởi ống phát tia X được biểu diễn như ở hình 1. Các bước sóng

cụ thể được tạo ra nhờ đặc trưng của vật liệu làm mẫu (Cu, Fe, Mo, Cr), đồng là vật liệu mục

tiêu phổ biến nhất cho nhiễu xạ tinh thể đơn, với bức xạ

𝐶𝑢𝐾𝛼 = 1.5418 Å

. Việc lọc luồng

tia bằng lăng kính đơn sắc tinh thể là cần thiết để tạo ra tia X đơn sắc cần cho nhiễu xạ. Các

tia X này được chuẩn trực và chiếu vào tinh thể. Khi tia X tới va chạm vào tinh thể và quá

trình phản xạ thỏa mãn định luật Bragg, thoa mang tăng cường xảy ra và một đỉnh cường độ

xuất hiện. Máy dò ghi lại dữ liệu của các đỉnh này, sau đó xử lý các tín hiệu tia X, và kết quả

được xuất ra các thiết bị như máy in hoặc màn hình máy tính.

IV.

Ứng dụng của nhiễu xạ tia X

Nhiễu xạ tia X là một công cụ mạnh để nghiên cứu phổ tia X lẫn cách sắp xếp các nguyên tử

trong tinh thể. Do đó có rất nhiều ứng dụng liên quan nhằm mục đích định tính cấu trúc

nguyên tử, giúp xác định công thức các hợp chất,...

Các chú thích: XRD – Nhiễu xạ tia X; XRPD- Nhiễu xạ bột tia X.

1.

Công nghệ dược phẩm:

Ứng dụng của nhiễu xạ tia X (XRD) trong công nghiệp dược phẩm đóng vai trò thiết yếu

trong việc phát triển và sản xuất thuốc. XRD là một kỹ thuật phân tích không phá hủy giúp

xác định cấu trúc tinh thể của các thành phần hoạt chất (API), cung cấp thông tin chi tiết về

mức độ kết tinh và nhận dạng các dạng đa hình độc đáo. Điều này rất quan trọng trong việc

Hình 10: Biểu diễn hình học mối liên hệ

giữa khoảng cách d và kích thước ô đơn vị

Hình 11: Sơ đồ của hệ thống máy nhiễu xạ.

6

đảm bảo chất lượng và ổn định của thuốc, cũng như tối ưu hóa quá trình công thức hóa nhằm

đáp ứng các yêu cầu về hiệu quả điều trị và khả năng xử lý. Đặc biệt, XRD giúp phân tích tại

chỗ tỷ lệ phần trăm các thành phần hoạt chất và các chất không kết tinh, từ đó hỗ trợ bảo vệ

đầu tư thông qua việc bảo vệ bằng sáng chế.

Theo nghiên cứu của Aaltonen và các cộng sự năm 2009, trong quá trình phát triển dược

phẩm, XRD hỗ trợ nhiều giai đoạn sàng lọc các dạng rắn của API để tìm ra dạng phù hợp

nhất. Phân tích XRD cũng cho phép kiểm tra tác động của độ ẩm lên tính chất vật lý của thuốc

và xác định các dạng hydrat hóa cũng như các biến thể hình thái khác nhau của các chất dược

phẩm, góp phần nâng cao giá trị chứng cứ và chất lượng của sản phẩm.

Nghiên cứu bổ sung của Ivanisevic năm 2010, kỹ thuật này cho phép đặc tính hóa các API

trong quá trình phát triển thuốc và nhận dạng các API trong các ứng dụng liên quan đến sản

xuất và pháp lý. Nhờ khả năng phân tích chính xác các mẫu nhiều thành phần cùng lúc, XRD

giúp kiểm tra chất lượng và ổn định của thuốc, đặc biệt trong các công thức phức tạp.

2.

Khoa học pháp y:

Việc phân tích các mẫu vật trong pháp y rất khắt khe về việc bảo tồn, giữ nguyên tình trạng

ban đầu của mẫu vật. Điều này là dễ hiểu vì các phép phân tích thô sơ dễ khiến cho các mẫu

vật bị biến dạng, sứt mẻ,... PXRD là một quy trình phân tích mà không phá hủy mẫu vật, do

đó rất thích hợp cho phân tích các mẫu vật hữu cơ, vô cơ và kim loại, đồng thời có khả năng

định lượng và định tính các hỗn hợp.

Ứng dụng nổi bật của PXRD là trong phân tích và so sánh các vụ bắt giữ ma túy, giúp xác

định các chất tá dược hoặc chất pha loãng được thêm vào, từ đó tạo ra "chữ ký" phân tích, hỗ

trợ truy tìm nguồn gốc ma túy (Nghiên cứu của Causin, 2010).

Ngoài ra, PXRD còn được dùng trong phân tích các mẫu đất, giúp cung cấp bằng chứng liên

kết một người hoặc vật đến hiện trường. Kỹ thuật này cũng được sử dụng để phân tích dấu

vết tiếp xúc, ví dụ như sơn, tóc, mảnh thủy tinh hoặc bột đất (Nghiên cứu Eckardt, 2012).

Sự hợp tác giữa các phòng thí nghiệm pháp y và các tổ chức học thuật đã cho thấy tiềm năng

áp dụng phân tích nhiễu xạ tia X trên tinh thể đơn để nhận dạng các loại thuốc mới trong các

cuộc điều tra (Higashi, 2010; Trzybiński, 2013). Khoa học bảo tồn cũng dựa vào các phép đo

bằng nhiễu xạ tia X, giúp phân tích các mẫu nhỏ mà không gây hư hỏng, từ đó bảo tồn mẫu

vật phục vụ cho các nghiên cứu sau này (Grieten và Casadio, 2010; Cardell, 2009).

3.

Khoáng sản

XRD là một công cụ quan trọng trong thăm dò khoáng sản, giúp xác định cấu trúc tinh thể

của các khoáng vật và nhận diện nhanh chóng các khoáng chất trong mẫu đất hoặc đá. Mỗi

loại khoáng chất có mô hình nhiễu xạ đặc trưng, từ đó cho phép phân tích tỷ lệ các khoáng

chất khác nhau trong mẫu (Shrivastava, 2009). XRD đã mang lại sự tiến bộ vượt bậc cho

ngành địa chất, làm cho các nghiên cứu về tinh thể học trở nên không thể thiếu. Lớp đất bề

mặt, với sự pha trộn giữa chất khoáng và chất hữu cơ, có vai trò quan trọng trong việc quản

lý và năng suất của đất, trong đó đất sét là thành phần đáng chú ý với các ứng dụng thương

mại và khả năng cải thiện tính chất đất.

7

Trong một nghiên cứu khác của Eunice năm 2013, các trầm tích cát từ sông Niger ở Nigeria

đã được đặc tính hóa và xác định có khả năng sử dụng làm nguyên liệu thô cho sản xuất gốm

và men nhờ phân tích XRD. Ngoài ra, phân tích XRD trên đá phiến đen của tầng Thành viên

Chang 7 ở Trung Quốc cho thấy tính chất khoáng vật của các mẫu đá phiến này tương tự với

các mỏ khí đá phiến giàu sản lượng tại Bắc Mỹ, cho thấy tiềm năng thăm dò khí đá phiến

(Yao, 2014).

Andreeva vào năm 2011 đã sử dụng XRD để nghiên cứu các

dolomit từ kỷ Devon giữa ở Bulgaria, giúp phân biệt và giải thích

hai nhóm dolomit chính dựa trên thành phần hóa học và mức độ

kết tinh. Những kết quả này minh chứng cho khả năng của XRD

trong việc phân tích cấu trúc và thành phần của các loại đất và đá

để phục vụ cho nghiên cứu và khai thác địa chất.

*Dolomit là một loại đá trầm tích cacbonat cũng như một khoáng

vật. Công thức hóa học của tinh thể là CaMg(CO

3

)

2

.

4.

Ngành công nghiệp vi điện tử

XRD là công cụ quan trọng trong ngành công nghiệp vi điện tử, đặc biệt khi ngành này sử

dụng các chất bán dẫn đơn tinh thể silicon và gallium arsenide trong sản xuất vi mạch tích

hợp. Kỹ thuật XRD cho phép phát hiện và hình ảnh hóa các khuyết tật trong tinh thể một cách

nhanh chóng, làm cho nó trở thành công cụ đánh giá không phá hủy hữu hiệu trong việc đặc

tính hóa các mẫu tinh thể đơn công nghiệp (Murray, 2010).

XRD đóng vai trò quan trọng trong việc xác định sự phân bố ứng suất trong các thành phần

silicon-on-insulator (SOI), góp phần dự đoán và thiết kế hoạt động của các thiết bị. Các phát

triển gần đây như nguồn tia X sáng, thấu kính hội tụ và các công nghệ xử lý dữ liệu XRD đã

được áp dụng trong các quy trình sản xuất tiên tiến như chế tạo transistor kim loại-trên-silicon

(MOS) (Wyon, 2010).

Ngoài ra, XRD được sử dụng để nghiên cứu vi cấu trúc liên diện của các mối hàn nhiệt giữa

các lớp vật liệu như Au/Al, giúp xác định các khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể và các

pha liên kim mới hình thành (Li, 2011). Phân tích ứng suất trong các công nghệ tích hợp quy

mô siêu lớn cũng được thực hiện để giải quyết các vấn đề về độ tin cậy do chênh lệch hệ số

giãn nở nhiệt giữa các lớp kim loại và môi trường xung quanh gây ra. Murray vào năm 2012

chỉ ra rằng sự dẻo của Đồng (Cu) có thể tạo ra ứng suất kéo lớn hơn ở bề mặt Cu/cap sau khi

làm nguội, làm tăng rủi ro rỗng hóa trong quá trình kim loại hóa.

5.

Công nghiệp thủy tinh

Mặc dù thủy tinh là vô định hình và không tự tạo ra các mẫu nhiễu xạ tia X, XRD vẫn được

sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thủy tinh để xác định các hạt tinh thể gây ra lỗi nhỏ

trong khối thủy tinh và đo lường các lớp phủ tinh thể để nghiên cứu kích thước hạt, cấu trúc

và mức độ kết tinh (Benmore, 2010).

Hình 12: Mẫu khoáng vật dolomit

8

XRD cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu tác động của áp suất cao lên cấu

trúc của thủy tinh silica, phát hiện sự thay đổi cấu trúc và sự tái sắp xếp liên kết trong điều

kiện áp suất cao.

Trong nghiên cứu của Sadki về thủy tinh aluminisilicat chứa lantan, ytri và scandium, XRD

được sử dụng cùng với các kỹ thuật khác để nghiên cứu hành vi kết tinh và tính chất cơ học

của các loại thủy tinh này.

Các thí nghiệm của Nasu năm 2009 mô phỏng động lực học phân tử và nghiên cứu nhiễu xạ

bằng tia neutron và tia X bổ sung đã giúp làm rõ cấu trúc polyhedra trong các loại thủy tinh

giàu aluminat ytri.

Ngoài ra, Nasu (2009) đã điều tra cơ chế biến dạng vi mô của thủy tinh kim loại trong điều

kiện kéo dãn, báo cáo sự thay đổi cấu trúc tầm ngắn và trung bình trong các dải thủy tinh kim

loại Cu

50

Zr

50

và Ni

30

Zr

70

. Sự biến dạng này được quan sát trực tiếp bằng cách sử dụng phương

pháp nhiễu xạ tia X năng lượng cao, cung cấp thông tin về sự thay đổi trong phân bố nguyên

tử, cho thấy có sự xảy ra của các vi thư giãn trong thủy tinh kim loại khi chịu tác động kéo.

Tổng quan, Nhiễu xạ tia X (XRD) là một kỹ thuật phân tích được sử dụng để đặc tính hóa các

pha tinh thể của nhiều loại vật liệu, thường dùng trong phân tích khoáng vật và xác định các

vật liệu chưa biết. Dữ liệu nhiễu xạ bột cơ bản được thu được từ sắp xếp nguyên tử và phân

tử được giải thích bởi vật lý của tinh thể học.

Có thể kết luận một số ưu điểm của kỹ thuật XRD trong các phòng thí nghiệm khoa học:

•

Không phá hủy mẫu vật, nhanh chóng và dễ chuẩn bị mẫu.

•

Độ chính xác cao cho việc tính toán khoảng cách giữa các mặt phẳng (d-spacing).

•

Cho phép đặc tính hóa vật liệu tinh thể đơn, đa tinh thể và vô định hình.

•

Có thể thực hiện tại chỗ, kho dữ liệu tiêu chuẩn sẵn có cho hàng nghìn hệ vật liệu.