- Báo cáo thực tập chuyên đề PAGE. - 3 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC BÁO CÁO. - Nơi thực tập: Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa Học Huế Giáo viên hướng dẫn thực tập: TS Nguyễn Mạnh Sơn. - Làm quen với các hệ đo của khoa Vật lý liên quan đến chuyên ngành đang được đào tạo. - Làm quen với cách sữ dụng các phần mềm chuyên dụng để xữ lý số liệu thu được, chẳng hạn dùng phần mềm Microcal Origin [5] Tập duyệt nghiên cứu khoa học và cách viết một báo cáo, một thông báo khoa học. - Hệ đo đã có sẳn và đã được tự động hoá tại Phòng Thí nghiệm của khoa vật lý. - Vật liệu nền của ruby đó là Al2O3. - Ngoài giá trị dùng để làm đồ trang sức thì ruby có rất nhiều ứng dụng trong khoa học kỹ thuật mà điểm hình là làm môi trường hoạt tính cho laser ruby. - Đây là loại laser ra đời đầu tiên đánh một mốc lịch sử cho ngành khoa học laser. - 1 Tính chất vật lý Ruby nằm trong số đá quý bền nhất tìm thấy trên trái đất. - Đặc trưng giãn nở nhiệt của ruby có ý nghĩa quan trọng trong thực tế. - Độ giãn nở do nhiệt của ruby nhỏ hơn của kim cương. - I.2.2 Tính chất đa màu, màu sắc của ruby Vì sự khác nhau trong đối xứng và theo hướng dao động của các tia như trên, mỗi tia bị hấp thụ khác nhau nên 1 tia này có màu này, tia khác có màu khác. - I.2.3 Quá trình phát quang của ruby Trong ruby crom có mặt ở dạng ion Cr3+ nghĩa là nguyên tử crom (có cấu hình điện tử 1s22s22p63s23p63d54s1 - thường viết gọn là 3d54s) bị mất ba điện tử nên có cấu hình điện tử trở thành 3d3 với ba điện tử không liên kết đôi. - Sơ đồ trên cho phép ta giải thích màu sắc của ruby: Có hai cơ chế hấp thụ (absorption) xảy ra (hình 5b) khi ánh sáng đi qua để chuyển Crom từ mức cơ bản A lên mức kích thích C và thứ hai là lên mức kích thích D. - Kết quả là ruby có hai cửa sổ truyền qua ở vùng xanh lam (SMALL BLUE TRNSM) có bước sóng cở 480nm và vùng đỏ có bước sóng cở 610nm. - I.2.4 Phổ hấp thụ [3] Phổ hấp thụ của ruby có các đặc trưng sau: Vùng hấp thụ ở 400 – 450nm (tím, xanh da trời) Vùng hấp thụ rộng ở 550nm (vùng nâu, xanh lá cây) Vạch hẹp 468,5. - I.2.5 Phổ phát xạ của ruby [6,7] Có hai đỉnh cực đại, đỉnh đặc trưng là đỉnh 694,24nm. - Phương pháp chế tạo Ruby trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp [3,6,7] Ruby đã chế tạo thành công trong phòng thí nghiệm và chế tạo với số lượng lớn trong công nghiệp. - Tuy nhiên vì có thể sản dễ dàng với số lượng lớn nên không có tính “hiếm”, vì vậy giá trị của ruby nhân tạo so với ruby tự nhiên trong lĩnh vực đồ trang sức khác nhau rất xa. - Để phân biệt ruby nhân tạo và ruby tự nhiên người ta thường phải kết hợp nhiều phương pháp để cho kết quả chính xác. - Phương pháp thực nghiệm Để tiến hành thực nghiệm chúng tôi đã thực hiện các phép đo tại bộ môn Vật lý chất rắn và phòng Thí nghiệm Vật lý chất rắn, khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Huế dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Mạnh Sơn và cùng với học viên Bùi Tiến Đạt, Nguyễn Ngọc Trắc, Lê Văn Khoa Bảo và Lê Thị Thảo Viễn III.1 Các hệ đo của Khoa Vật lý - Trường Đại Học Khoa học Huế III.1.1 Hệ đo phổ hấp thụ [5] Đây là hệ đo đơn giản, tại phòng Bộ môn Vật lý chất rắn. - Sơ đồ nguyên lý hệ đo:. - Hình 7: Sơ đồ nguyên lý hệ đo phổ hấp thụ tại phòng Bộ môn vật lý chất rắn Đo phổ bức xạ của nguồn sáng, Io =f(. - Sau đó cho viên ruby vào khe ta có kết quả cường độ truyền qua của ruby như sau: I=f. - Ta có kết quả số liệu như sau Bước sóng ((nm). - Trên đó là kết quả đo được và được chúng tôi tính toán độ truyền qua, độ hấp thụ. - Để vẽ độ thị trực quan để so sánh chúng tôi sữ dụng phần mềm Microcal Origin để vẽ. - Chúng tôi đã có được kết quả như sau. - Từ các phổ trên các hình cho thấy rằng các kết quả đo của chúng ta gần sát với lý thuyết về các phổ của ruby. - Theo chúng tôi có sự sai khác này là cách tiến hành thực nghiệm của chúng tôi. - Một lý do khác theo chúng tôi đó là do chúng tôi tiến hành trên mẫu ruby khác với mẫu mà các tài liều nghiên cứu và đo đạc. - III.1.2 Hệ đo phổ hấp thụ tự động [1] Được chúng tôi thực hiện đo tại phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Khoa Vật lý Trường đại học Khoa học Huế III.1.2a Nguyên lý hoạt động của hệ đo: Nguồn kích thích là một đèn halogen 1 được chiếu qua hệ thấu kính hội tụ 7. - Hệ thấu kính này hội tụ vào khe của máy đơn sắc 2, trước khi vào máy đơn sắc 2 chùm sáng phải qua bộ điều biến 8 để có chùm tia sáng nhấp nháy theo thời gian. - Trước khe vào máy đơn sắc có một tấm hình tròn có đục một lổ rất nhỏ có mục đích giảm cường độ chùm sáng đi vào (đối với việc đo phổ đèn, còn để đo phổ truyền qua của ruby chúng tôi đã gắn mẫu ruby vào trước khe vào của máy đơn sắc 2). - Sau khi đi vào máy đơn sắc 2 chùm ánh sáng phát quang sẽ bị tán sắc và ở khe ra máy đơn sắc thu được bức xạ đơn sắc có tần số xác định. - Các tia sáng đơn sắc được thu nhận nhờ nhân quang điện 3, tại đây tín hiệu ánh sáng sẽ được chuyển thành tín hiệu điện. - Tín hiệu điện sẽ được khuếch đại bằng kỹ thuật lọc lựa hoặc tách sóng đồng bộ sử dụng Lock-in Amplifier (đây là bộ khuyếch đại hiện có tại phòng thí nghiệm), kỹ thuật này nhằm loại bỏ nhiễu và làm tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu, tín hiệu thu được ở lối ra của bộ Lock-in Amplifier 4 là tín hiệu tương tự (Analog) được đưa vào Card chuyển đổi ADC, tại đây tín hiệu tương tự sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu số (Digital) để đưa vào máy vi tính PC 5, máy vi tính sẽ ghi lại kết quả và xữ lý. - Để tạo ra tín hiệu chuẩn, người ta dùng một bộ điều biến quang học (chopper), bộ phận này vừa điều biến tín hiệu quang vừa tạo tín hiệu chuẩn cho bộ khuyếch đại Lock-in Amplifier. - Đây là tín hiệu chuẩn (reference) để so sánh với tín hiệu lối vào về tần số và pha dao động của chúng. - Việc thay đổi bước sóng sử dụng motor bước để quay cách tử trong máy đơn sắc. - Việc điều khiển motor bước được thực hiện nhờ máy vi tính qua Card chuyển đổi DAC, điều này phù hợp với việc điều khiển hệ thống từ máy vi tính qua motor 6 bước ghép nối với máy đơn sắc nhờ một chương trình phần mềm chuyên dụng. - Kết quả ta thu được cường độ của phổ đèn I0. - Sơ đồ thiết bị thực của hệ đo này tại Phòng thí nghiệm Vật lý Chất rắn , Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Huế. - III.1.2 b Một số thiết bị thực tại Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn III.1.2c Các bước thực nghiệm đo phổ hấp thụ của ruby bằng hệ đo tự động tại Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn Bước 1: Bật các nguồn của hệ đo. - Bước 2: Chỉnh hệ đo cho ổn định phải sau 10 đến 15 phút để hệ đo ổn định. - Chẳng hạn, trong trường hợp này ta Đặt cách tử của máy đơn sắc ở 13.6 (tương ứng với bước sóng là 406,32nm). - Màn hình xuất hiện File name, ta đặt tên cho kết quả phổ vừa đo vào ô này. - Khi đó ở ổ đĩa C của máy tính tự động tạo một Folder(thư mục) có tên KETQUA chứa tất cả các tập tin kết quả mà chúng ta vừa đo.. - Để copy kết quả đo. - Bước 5: Tắt hệ đo. - Sau khi tiến hành đo đạc xong ta phải tắt hệ đo. - +Tắt các nguồn phụ -Tắt nguồn nuôi đèn neon -Tắt máy đơn sắc -Tắt nguồn nuôi khuyếch đại và tắt nguồn nuôi điều biến -Tắt máy vi tính (tắt trước hay sau cũng được) III.1.2 d Kết quả thu được sau khi xử lý qua phần mềm Microcal Origin Nhận xét: Ta thấy rằng khi tiến hành qua hệ đo tự động thì hình dạng của các phổ vẩn không thay đổi. - III.1.3 Hệ đo phổ phát quang [1] Đây là hệ đo tự động tại Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Trường Đại học Khoa học Huế. - Một hệ đo phải nói rằng có độ tin cậy rất cao tại miền trung. - Khi chiếu bức xạ kích thích nằm trong vùng hấp thụ mẫu, mẫu sẽ phát quang. - Chùm bức xạ phát quang của mẫu sẽ hội tụ lên khe vào của máy đơn sắc nhờ hệ thống thấu kính hội tụ 4. - Trước khi đi vào khe của máy đơn sắc chùm sáng sẽ bị biến điệu có cường độ nhấp nháy. - Sau khi đi vào máy đơn sắc chùm ánh sáng phát quang sẽ bị tán sắc và ở khe ra máy đơn sắc thu được bức xạ đơn sắc có bước sóng xác định. - Các tia sáng đơn sắc được thu nhận nhờ nhân quang điện, tại đây tín hiệu ánh sáng sẽ được chuyển thành tín hiệu điện. - Tín hiệu điện sẽ được khuyếch đại bằng kỹ khuật lọc lựa hoặc tách sóng đồng bộ sử dụng Lock-in Amplifier, kỹ thuật này nhằm loại bỏ nhiễu và làm tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu, tín hiệu thu được ở lối ra của bộ Lock-in Amplifier là tín hiệu tương tự (Analog) được đưa vào Card chuyển đổi ADC, tại đây tín hiệu tương tự sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu số (Digital) để đưa vào máy vi tính, máy vi tính sẽ ghi kết quả và xử lý. - Để tạo ra tín hiệu chuẩn, người ta dùng một bộ điều biến quang học (chopper), bộ phận này vừa điều biến tín hiệu quang vừa tạo ra tín hiệu chuẩn cho bộ khuếch đại Lock-in Amplifier. - Việc điều khiển motor bước được thực hiện nhờ máy vi tính thong qua Card DAC, điều này phù hợp với việc điều khiển hệ thống từ máy vi tính qua motor bước ghép nối với máy đơn sắc nhờ một phần mềm chuyên dụng. - Kết quả thu được cường độ bức xạ IPL là hàm bước sóng bức xạ của mẫu, đây chính là phổ bức xạ quang phát quang. - III.1.3 b Một số thiết bị thực của hệ đo tại Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Trường Đại học Khoa học Huế (Xem mục II.1.2b) III.1.3 c Các bước thực nghiệm đo phổ huỳnh quang của ruby tại phòng thí nghiệm của Khoa Vật lý Nhìn chung giống mục II.1.2 c chỉ khác lúc đó mẫu được đặt vào giá mẫu 3 và được chiếu bằng nguồn laser He-Ne. - Và bước đầu chỉnh khe của máy đơn sắc là 18.2 tương ứng với bước sóng hiện thời là 649,23nm III.1.3 c Kết quả thực nghiệm đo được Sau khi xử lý kết quả đo được qua phần mềm chuyên dụng Microcal Origin. - Chúng tôi đã thực hiện 3 lần đo, kết quả thu được đem so sánh với phổ huỳnh quang của ruby hình 6. - Chúng tôi nhận thấy rằng kết quả đo của chúng ta vần có 2 đỉnh tuy rằng một tỉnh hơi mờ không lộ rõ.. - Nhận xét: So sánh phổ huỳnh quang lý thuyết của ruby (hình 6) [6,7] và phổ huỳnh quang đo được tại phòng thí nghiệm chúng ta nhận thấy rằng, hình dạng của phổ của ruby là tương tự nhau, chúng có một chút sai khác nhỏ. - Theo chúng tôi đó là do các mẫu ruby chúng ta đo là khác nhau. - KẾT LUẬN Sau đợt thực tập chuyên đề của khoá học, chúng tôi đã học được rất nhiều kinh nghiệm trong việc tiến hành thực nghiệm. - Trong đợt thực tập vừa qua chúng tôi gặp phải một sự cố về hệ đo. - Tuy nhiên đó lại là một bài học, một kinh nghiệm quý của chúng tôi đối với việc làm thực nghiệm. - Các kết quả rút ra được trong đợt thực tập: 1. - Chúng tôi đã biết cách sử dụng phần mềm Microcal Origin 2. - Bước đầu làm quen được sự hợp tác trong nghiên cứu khoa học 3. - Học được nguyên lý các hệ đo và cách bố trí để tiến hành đo được một mẫu cần đo. - Biết cách tự đo đạc các phép đo tại Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Huế 6. - Bước đầu làm quen với cách viết một báo cáo khoa học 7. - Qua đợt thực tập chúng tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Mạnh Sơn đã tận tình chỉ bảo chúng tôi trong qua trình học tập. - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Mạnh Sơn (2007), “Bài giảng chuyên đề Nhiệt phát quang”, Khoa Vật lý, Đại học Khoa học Huế [2] Nguyễn Mạnh Sơn (2007), “Báo cáo Sêmina về các hệ đo”, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Huế [3] Wolfgang Hofmeister, Vũ Xuân Quang, Trần Chót, Nguyễn Thị Quý Hải, Nguyễn Quý Đạo (2001), “Đá quý thế giới và đá quý Việt Nam”, Viện khoa học Vật liệu Hà Nội [4] KURT NASSAU (1978), “The origins of color in minerals”, Bell Laboratories Murray Hill, New Jersey 07974 [5] Tổ chất rắn (2007), “Giáo trình thí nghiệm chuyên đề chất rắn”, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Huế [6] http://webexhibits.org/causesofcolor/index.html. - Máy đơn sắc. - Hình 10: Độ hấp thụ và độ truyền qua của ruby. - Hình 9: Phổ bức xạ của nguồn halogen và phổ truyền qua của ruby. - 1: Nguồn kích thích 2: Máy đơn sắc 3: PTM 4: Khuyếch đại 5: Ghi và hiển thị PC 6: Mô tơ bước 7: Hệ thấu kính hội tụ 8: Điều biến 10: Mô tơ bước Hình 11 : Sơ đồ nguyên lý hệ đo phổ quang phát quang. - Hình 5: Các mức năng lượng, các dịch chuyển và các màu hấp thụ trong ruby[4,6,7] Chú thích: ABSORPTION: hấp thụ. - VIOLET ABS:hấp thụ tím. - Hình 6: Phổ huỳnh quang của Ruby. - Giá mẫu 5: Bộ điều biến 6: Motor bước 7: Máy đơn sắc 8: PTM 9: Khuyếch đại 10: Máy vi tính Hình 17: Sơ đồ nguyên lý của hệ đo phổ phát quang. - Hình 15: Phổ bức xạ của đèn neon và phổ truyền qua ruby được đo bằng hệ đo hấp thụ tự động. - Hình 8: Hệ đo phổ hấp thụ thực tại phòng Bộ môn vật lý chất rắn. - EMBED Origin50.Graph ���Hình 16: Độ hấp thụ và độ truyền qua của ruby được đo bằng hệ đo tự động. - Máy đơn sắc và motor bước�. - Máy vi tính�. - Hình 12: Một số thiết bị trong hệ đo phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang tại Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn. - Các tập tin chứa kết quả đo nằm trong này. - Hình 18: Phổ huỳnh quang của ruby đo lần 1. - Hình 14: Vị trí của thư mục chứa các tập tin ghi kết quả. - Hình 19: Phổ huỳnh quang của ruby đo lần 2. - Báo Cáo Thực tập chuyên đề