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