- Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật người ta đã chế tạo những máy nhiễu xạ tia X với độ phân giải cao và xây dựng được thư viện đồ sộ về phổ nhiễu xạ của các hợp chất, cho nên chúng ta hiểu được cấu trúc của vật liệu và xâm nhập vào cấu trúc tinh vi của mạng tinh thể, do đó đã tạo được những vật liệu tốt đáp ứng được yêu cầu trong các lĩnh vực khác nhau và phục vụ đời sống con người. - Vì vậy, việc nghiên cứu phương pháp nhiễu xạ tia X cũng như việc chế tạo máy nhiễu xạ hiện đại là rất quan trọng trong việc tạo ra những vật liệu mới trên thế giới hiện nay.. - Như vậy, tia X được tạo ra như thế nào và nó được ứng dụng của phương pháp nhiễu xạ tia X như thế nào? Bài tiểu luận của nhóm sẽ giúp chúng ta hiểu rõ thêm về điều đó.. - Trong khoáng vật học và tinh thể học, một cấu trúc tinh thể là một sự sắp xếp đặc biệt của các nguyên tử trong tinh thể. - Một cấu trúc tinh thể gồm có một ô đơn vị và rất nhiều các nguyên tử sắp xếp theo một cách đặc biệt. - chất đối xứng của ô đơn vị mà tinh thể đó thuộc vào một trong các nhóm không gian khác nhau.. - của của tinh thể.. - Ô đơn vị là một cách sắp xếp của các nguyên tử trong không gian ba chiều, nếu ta lặp lại nó thì nó sẽ chiếm đầy không gian và sẽ tạo nên tinh thể. - Đối với mỗi cấu trúc tinh thể, tồn tại một ô đơn vị quy ước, thường được chọn để mạng tinh thể có tính đối xứng cao nhất. - Ô nguyên tố mới là một lựa chọn nhỏ nhất mà từ đó ta có thể tạo nên tinh thể bằng cách lặp lại ô nguyên tố. - Ô Wigner Seitz là một loại ô nguyên tố mà có tính đối xứng giống như của mạng tinh thể.. - Hệ tinh thể. - Hệ tinh thể là một nhóm điểm của các mạng tinh thể (tập hợp các phép đối xứng quay và đối xứng phản xạ mà một điểm của mạng tinh thể không biến đối). - Hệ tinh thể không có các nguyên tử trong các ô đơn vị. - Có tất cả bảy hệ tinh thể. - Phân loại mạng tinh thể. - Tất cả các vật liệu có cấu trúc tinh thể đều thuộc vào một trong các mạng Bravais này (không tính đến các giả tinh thể).. - Cấu trúc tinh thể là một trong các mạng tinh thể với một ô đơn vị và các nguyên tử có mặt tại các nút mạng của các ô đơn vị nói trên.. - Chỉ số Miller của mặt tinh thể. - Trong cấu trúc tinh thể khoảng cách giữa các mặt phẳng song song gần nhau nhất có cùng chỉ số Miller được kí hiệu là d hkl trong đó h, k, l là chỉ số Miller của các mặt. - Từ hình học ta có thể thấy rằng khoảng cách d hkl giữa các mặt lân cận song song trong tinh thể lập phương là:. - là các vectơ đơn vị tinh thể.. - Mỗi nút mạng đảo tương ứng với một mặt (hkl) của tinh thể.. - vuông góc với mặt phẳng mạng (hkl) của mạng tinh thể và 1. - Trong đó d hkl là khoảng cách giữa các mặt phẳng (hkl) trong mạng tinh thể.. - Mạng đảo xác định một khoảng cách vị trí mạng có khả năng dẫn đến sự nhiễu xạ.. - Mỗi cấu trúc tinh thể có hai mạng liên hợp với nó, mạng tinh thể và mạng đảo và ảnh nhiễu xạ của tinh thể là một bức tranh mạng đảo của tinh thể.. - NHIỄU XẠ TIA X. - Hiện tượng nhiễu xạ tia X. - Nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể của chất rắn do tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ. - Kỹ thuật nhiễu xạ tia X (thường viết gọn là nhiễu xạ tia X) được sử dụng để phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu. - Xét về bản chất vật lý, nhiễu xạ tia X cũng gần giống với nhiễu xạ electron, sự khác nhau trong tính chất phổ nhiễu xạ là do sự khác nhau về tương tác giữa tia X với nguyên tử và sự tương tác giữa electron và nguyên tử.. - Nhiễu xạ là đặc tính chung của các sóng bị thay đổi khi tương tác với vật chất và là sự giao thoa tăng cường của nhiều hơn một sóng tán xạ. - Để mô tả hiện tượng nhiễu xạ người ta đưa ra ba thuật ngữ sau:. - Nhiễu xạ (Diffraction): là sự giao thoa tăng cường của nhiều sóng tán xạ.. - Chiếu lên tinh thể một chùm tia Rơnghen, mỗi nút mạng trở thành tâm nhiễu xạ và mạng tinh thể đóng vai trò như cách tử nhiễu xạ.. - Khi chiếu tia X vào vật rắn tinh thể thì xuất hiện các tia nhiễu xạ với cường độ và hướng khác nhau. - Khi chùm tia X đập vào tinh thể thì xuất hiện các tia nhiễu xạ với cường độ và các hướng khác nhau.. - Điều kiện để nhiễu xạ là hiệu quang lộ: δ = (2Q2. - Nhiễu xạ tia X bởi các mặt phẳng của nguyên tử (H.2). - Phương trình này biểu thị mối quan hệ giữa góc các tia nhiễu xạ θ và bước sóng tia tới λ, khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử d. - Định luật Bragg là điều kiện cần nhưng chưa đủ cho nhiễu xạ tia X, vì nhiễu xạ chỉ có thể chắc chắn xảy ra với các ô đơn vị có các nguyên tử ở ô góc mạng. - Còn các nguyên tử không ở góc ô mạng mà ở trong các vị trí khác, chúng hoạt động như các tâm tán xạ phụ lệch pha với các góc Bragg nào đó, kết quả là mất đi một số tia nhiễu xạ theo phương trình phải có mặt.. - Cường độ nhiễu xạ. - Có thể tính toán được cường độ nhiễu xạ bằng cách cộng sóng hình sin với pha và biên độ khác nhau. - Hướng của tia nhiễu xạ không bị ảnh hưởngbởi loại nguyên tử ở từng vị trí riêng biệt và hai ô mạng đơn vị có cùng kích thước nhưng với sự sắp xếp nguyên tử khác nhau sẽ nhiễu xạ tia X trên cùng một hướng. - Tuy nhiên cường độ của các tia nhiễu xạ này khác nhau.. - Nhiễu xạ tia X từ các mặt của mạng tinh thể. - Để xác định cường độ nhiễu xạ thường tiến hành theo 3 bước sau:. - Nhiễu xạ tia X bởi điện tử tự do.. - Nhiễu xạ tia X bởi nguyên tử.. - Nhiễu xạ bởi ô mạng cơ bản.. - Nhiễu xạ bởi điện tử tự do. - Thomson đã chứng minh được công thức xác định cường độ nhiễu xạ tia X bởi một điện tử có điện tích e và khối lượng m e tại khoảng cách r – khoảng cách giữa tán xạ điện tử đến đầu dò detector là:. - Nhiễu xạ bởi nguyên tử. - Nhiễu xạ bởi ô mạng cơ bản. - Vì ô cơ bản là phần tử nhỏ nhất lặp lại tuần hoàn tạo thành tinh thể nên đây là bước cuối cùng trong trình tự xác định cường độ của tia nhiễu xạ. - Cường độ nhiễu xạ cho bởi công thức:. - Cường độ nhiễu xạ không chỉ phụ thuộc vào thừa số cấu trúc mà còn vào các thừa số khác. - Nhiễu xạ đơn tinh thể. - Hai phương pháp chính để thực hiện nhiễu xạ đơn tinh thể là phương pháp ảnh Laue và phương pháp xoay đơn tinh thể. - Để thỏa mãn điều kiện nhiễu xạ Bragg nλ = 2d hkl sinθ, trong phương pháp xoay đơn tinh thể chùm tia X đơn sắc (λ không đổi) được chiếu lên. - đơn tinh thể quay (θ thay đổi) quanh một phương tinh thể nào đó, trong phương pháp ảnh Laue chùm bức xạ với phổ liên tục (λ thay đổi) được rọi lên đơn tinh thể đứng yên (θ không đổi).. - Chùm tia X liên tục được chiếu lên mẫu đơn tinh thể và tia nhiễu xạ được ghi nhận bởi các vết nhiễu xạ trên phim.. - Trên ảnh Laue ta thấy các vết nhiễu xạ phân bố theo các đường cong dạng elip, parabol hay hypebol đi qua tâm ảnh. - Các đường cong này gọi là các đường vùng bởi mỗi đường cong đó chứa các vết nhiễu xạ của các mặt thuộc một vùng mặt phẳng trong tinh thể. - cho tia nhiễu xạ. - Như vậy, các tia nhiễu xạ sẽ tạo nên một hình tròn tia có trục là trục. - Phim đặt sau tinh thể để chụp tia X (H.3). - Giao tuyến của nón tia nhiễu xạ với phim chính là dạng hình học của. - ảnh Laue được tạo nên bởi tập các đường vùng trên đó phân bố các vết nhiễu xạ của các vùng mặt phẳng tương ứng trong tinh thể. - Phương pháp ảnh Laue cho phép xác định hướng và tính đối xứng của tinh thể.. - Ngày nay, phương pháp ghi ảnh nhiễu xạ bằng phim không được phổ biến và một kĩ thuật hiện đại để ghi cường độ với độ nhạy cao và chính xác hơn đã đựơc sử dụng rộng rãi để nghiên cứu đơn tinh thể, đó là nhiễu xạ kế tia X. - Kỹ thuật phân tích đơn tinh thể trên nhiễu xạ kế vô cùng phức tạp, tuy nhiên với sự trợ giúp của máy tính thì nhiễu xạ kế tia X đã cho phép xác định tính đối xứng, định hướng tinh thể, hằng số mạng chính xác và các đặc trưng khác của đơn tinh thể, kể cả khi chưa biết trước cấu trúc và các thông số của ô cơ bản.. - Phương pháp đơn tinh thể quay. - Một đơn tinh thể được gắn trên thanh quay đồng trục với buồng.. - Chùm tia X đơn sắc tới sẽ bị nhiễu xạ trên một họ mặt nguyên tử của tinh thể với khoảng cách giữa các mặt là d khi trong quá trình quay xuất hiện những giá trị thỏa mãn điều kiện Bragg. - Tất cả các mặt nguyên tử song song với trục quay sẽ tạo nên các vết nhiễu xạ trong mặt phẳng nằm ngang.. - Phổ nhiễu xạ sẽ là sự phụ thuộc của cường độ nhiễu xạ vào góc quay 2θ.. - Phim đặt trước tinh thể để chụp tia X (H.4). - Nhiễu xạ đa tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ bột. - Kỹ thuật nhiễu xạ tia X được sử dụng phổ biến nhất là phương pháp bột hay phương pháp Debye. - Trong kỹ thuật này, mẫu được tạo thành bột với mục đích có nhiều tinh thể có tính định hướng ngẫu nhiên để chắc chắn rằng có một số lớn hạt có định hướng thỏa mãn điều kiện nhiễu xạ Bragg.. - Bộ phận chính của nhiễu xạ kế tia X (H.6) là: Nguồn tia X, mẫu, detector tia X. - Góc giữa phương chiếu tia X và tia nhiễu xạ là 2θ. - Thang quét 2θ thường quay trong khoảng từ 30 0 đến 140 0 , việc lựa chọn thang quét phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể của vật liệu.. - Tia X đơn sắc được chiếu tới mẫu và cường độ tia nhiễu xạ được thu bằng detector. - Mẫu được quay với tốc độ θ còn detector quay với tốc độ 2θ, cường độ tia nhiễu xạ được ghi tự động trên giấy, và từ đó vẽ được giản đồ nhiễu xạ của mẫu. - Nhiễu xạ kế tia X (H.6). - ta suy ra được cấu trúc và thông số mạng cho từng pha chứa trong mẫu bột và cường độ của tia nhiễu xạ cho phép xác định sự phân bố và vị trí nguyên tử trong tinh thể.. - Bởi vì mỗi chất có trong mẫu cho trên ảnh nhiễu xạ một pha đặc trưng (cho một hệ vạch nhiễu xạ tương ứng trên giản đồ nhiễu xạ). - Nếu mẫu gồm nhiều pha (hỗn hợp) nghĩa là gồm nhiều loại ô mạng thì trên giản đồ nhiễu xạ sẽ tồn tại đồng thời nhiều hệ vạch độc lập nhau. - Phương pháp phân tích pha định lượng bằng tia X dựa trên cơ sở của sự phụ thuộc cường độ tia nhiễu xạ vào nồng độ. - Các pha chưa biết trong vật liệu có thể xác định được bằng cách so sánh số liệu nhận được từ giản đồ nhiễu xạ tia X từ thực nghiệm với số liệu chuẩn trong sách tra cứu, từ đó ta tính đựơc tỷ lệ nồng độ các chất trong hỗn hợp. - q , trong đó t là độ dày tinh thể con, K là hằng số phụ thuộc vào dạng của tinh thể con (0,89), λ là bước sóng tia X, θ là góc Bragg,. - Tập 3D của các vết nhiễu xạ thu được từ thí nghiệm trên đơn tinh thể được tập trung thành hình ảnh 1D trong phương pháp Debye – Scherrer . - Sự đối xứng của tinh thể không thấy được trực tiếp từ ảnh nhiễu xạ.. - Máy nhiễu xạ tia X dùng để phân tích cấu trúc tinh thể rất nhanh chóng và chính xác, ứng dụng nhiều trong việc phân tích các mẫu chất, sử dụng trong nghiên cứu, trong công nghiệp vật liệu, trong ngành vật lí, hóa học và trong các lĩnh vực khác.. - Tinh thể. - Nhiễu xạ tia x. - Các phương pháp phân tích tinh thể bằng tia x