Tài liệu Bài báo cáo-các phƣơng pháp phân tích hạt nhân nguyên tử

CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ HUỲNH TRÚC PHƢƠNG Email: [email protected] Mobile: 0908 272 808 4/30/2012 1 NỘI DUNG  Phần 1: Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X (X-Ray Fluorescence Analysis, XRFA)  Phần 2: Phương pháp phân tích kích hoạt neutron (Neutron Activation Analysis, NAA) 4/30/2012 2 PHẦN 1 PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HUỲNH QUANG TIA X MỘT PHƢƠNG PHÁP TỔNG QUÁT CHO MỤC ĐÍCH PHÂN TÍCH CÁC NGUYÊN TỐ 4/30/2012 3 1. Giới thiệu Huỳnh quang tia X  Huỳnh quang tia X thực hiện như thế nào? Các nguyên tử trong một mẫu bị kích thích và phát ra những tia X đặc trƣng Năng lượng các tia X đặc trưng loại nguyên tố hiện diện trong mẫu (định tính) Số tia4/30/2012 X phát ra từ mẫu nồng độ nguyên tố (định lượng) 4 1. Giới thiệu Phổ huỳnh quang tia X  Ta quan sát thấy phổ huỳnh quang tia X như thế nào? 4/30/2012 5 1. Giới thiệu Các đặc trưng phân tích của XRF Tại sao và khi nào ta dùng XRF?  Kỹ thuật phân tích dụng cụ - có khả năng phân tích đa nguyên tố  Phân tích nguyên tố trong mẫu rắn, lỏng  Xử lí mẫu nhỏ  Khoảng nồng độ: ppm đến %  Khoảng nguyên tố từ Bo đến U (lý thuyết)  Quản lí quá trình công nghiệp (luyện kim, xi măng, thủy tinh, công nghiệp)  Thăm dò và khai thác quặng mỏ  Địa chất và địa hóa học  Nghiên cứu vật liệu, phân tích môi trường, khảo cổ. 4/30/2012 Có hơn 14,000 thiết bị XRF trên toàn thế giới 6 2. Tia X Bản chất của tia X Tia X là một phần của phổ bức xạ điện từ nằm giữa vùng bức xạ tử ngoại và tia gamma  Khi đề cập đến nhiễu xạ chúng ta xem tia X như là sóng điện từ có bước sóng   Khi mô tả quá trình hấp thụ và tán xạ thì tia X được xem như là photon có năng lượng xác định E  Mối liên hệ giữa năng lượng và bước sóng E hc  (1.1) h: hằng số Planck, c: vận tốc ánh sáng 4/30/2012 7 2. Tia X Trong phổ kế tia X Bước sóng có đơn vị Angstrom A0 (1A0 = 10-10m) Năng lượng có đơn vị kilo-electron volt (keV) 4/30/2012 8 Tương tác của tia X với vật chất Mẫu nguyên tử Bohr • Z electron được nhóm trên các lớp K, L, M, N, O, P (tương ứng với số lượng tử chính n = 1, 2, 3, 4, 5) • Một lớp vỏ nguyên tử có thể chứa tối đa 2n2 electron • Trong mỗi lớp vỏ, các electron được phân biệt bởi các số lượng tử mômen động lượng (l = 0, 1,..(n-1)), số lượng tử từ (m = 0, ±1, ±2,…. ±l) và số lượng tử spin (s = ±1/2). • Hai electron trong một nguyên tử không thể có cùng bộ số lượng tử (nguyên lí loại trừ Pauli) 4/30/2012 9 Tương tác của tia X với vật chất Số electron trong nguyên tử chiếm đầy trên các mức năng lƣợng • Electron trên lớp K liên kết chặt chẽ hơn electron lớp L • Số mức năng lượng (hoặc mức con) trên mỗi lớp vỏ bằng số giá trị được phép của j (j là số lượng tử toàn phần), j    1/ 2 • Lớp K có một mức năng lượng, lớp L có 3 mức (L1, L2, L3), lớp M có 5 mức (M1,…,M5) 4/30/2012 10 Mức năng lượng của lớp K, L và M Lớp n l=0,1,..n-1 K L1 1 2 0 0 Số e- cực đại, 2j+1 ½ 2 ½ (0+1/2) 2 L2 2 1 ½ (1-1/2) 2 L3 M1 M2 M3 M4 4/30/2012 M5 2 3 3 3 3 3 1 0 1 1 2 2 3/2(1+1/2 ½ ½ 3/2 3/2 5/2 4 2 2 4 4 6 J 11 Năng lượng liên kết của e- bên trong cùng bậc độ lớn với năng lượng photon tia X  Tia X có thể tƣơng tác với e- thuộc lớp vỏ trong Mức năng lƣợng của Cu Mức con K L1 L2 L3 Năng lượng liên kết (keV) 8,981 1,102 0,953 0,933 4/30/2012 12 Tương tác của tia X với electron nguyên tử Hấp thụ photon Hấp thụ quang điện là tƣơng tác chủ yếu làm phát ra các tia X đặc trƣng trong mẫu Tán xạ photon Nền liên tục đƣợc quan sát trên phổ XRF (Một phần bức xạ kích thích bị tán xạ bởi mẫu và xuyên vào detector) 4/30/2012 13 Hấp thụ quang điện Một photon bị hấp thụ hoàn toàn bởi nguyên tử (lớp vỏ bên trong) làm bứt ra một electron • Một phần năng lƣợng photon chuyển thành năng lƣợng liên kết của electron, phần năng lƣợng còn lại truyền cho electron dƣới dạng động năng Hấp thụ quang điện chỉ xảy ra nếu Ephoton > Eab • Sau khi tƣơng tác, nguyên tử (thực sự là ion) ở trạng thái kích thích  Một lỗ trống đƣợc tạo ra trên một lớp vỏ nguyên tử 4/30/2012 14 Hấp thụ quang điện (tt)  Nguyên tử dường như lập tức trở về trạng thái bền hơn  phát ra một electron Auger hoặc photon tia X đặc trưng  Xác suất phát ra tia X đặc trưng được gọi là hiệu suất huỳnh quang,   Trên hình ta thấy tiết diện quang điện của Cu là một hàm theo năng lượng của photon tương tác, ph(E) 4/30/2012 15 Hấp thụ quang điện (tt)  Tại năng lượng cao xác suất giải phóng một electron là khá thấp  Tại năng lượng E gần bằng 8,981keV tiết diện tương tác cao hơn  Tại năng lượng đúng bằng 8,98 keV có một sự giảm đột ngột về tiết diện  Các tia X năng lượng thấp hơn chỉ có thể tương tác với electron lớp vỏ L hay M Tỉ số tiết diện ngay bên trên và bên dƣới cạnh hấp thụ đƣợc gọi là tỉ số nhảy vọt, J  ( ) Jk   k   ( k )  i ( E0 )  ( )   k  Jk  i ( E0 )   ki ( E0 )   ( k )  ki ( E0 )   i ( E0 ) J k 1 Jk (1.3) (1.2) 4/30/2012 16 Năng lƣợng cạnh hấp thụ của một số nguyên tố 4/30/2012 17 Tán xạ đàn hồi và không đàn hồi Tán xạ làm photon thay đổi hướng Tán xạ đàn hồi (hay tán xạ Rayleigh) o Năng lƣợng photon trƣớc và sau tán xạ bằng nhau o Xảy ra trên các electron liên kết chặt chẽ o Dạng cơ bản của nhiễu xạ tia X Tán xạ không đàn hồi (hay tán xạ Compton) o Photon mất một ít năng lƣợng của nó o Xảy ra khi photon tia X tƣơng tác với electron liên kết yếu o Một photon năng lƣợng E tán xạ không đàn hồi một góc  sẽ còn lại năng lƣợng E’ thỏa mãn phƣơng trình 4/30/2012 Compton: 18 Sự suy giảm tia X qua vật chất Tia X xuyên qua vật chất  có vài photon sẽ bị ảnh hưởng bởi:  sự hấp thụ quang điện  sự tán xạ Cường độ I0 của một chùm tia X xuyên qua một lớp dày d và mật độ  thì cường độ I còn lại thỏa mãn định luật Lambert-Beer: (1.4) Số photon (cường độ) bị giảm nhưng năng lượng của nó không thay đổi.  là hệ số suy giảm khối có thứ nguyên [cm2/g]. Hệ số suy giảm khối toàn phần là sự đóng góp của hấp thụ quang điện, tán xạ kết hợp và không kết hợp (1.5) 4/30/2012 19 Một đồ thị log-log biểu diễn hệ số suy giảm khối của Al, Fe và Pb đối với tia X có năng lượng từ 0.1 keV đến 50 keV • Cạnh hấp thụ do hấp thụ quang điện nhìn thấy khá rõ ràng • Vật liệu Z thấp suy giảm tia X ít hơn vật liệu có Z cao • Năng lƣợng tia X cao (tia X cứng) suy giảm ít hơn năng lƣợng tia X20 thấp (tia mềm) 4/30/2012