Cơ bản về phân tích XRF (Phần 1)

- Va chạm của các hạt được gia tốc (Các electron, các hạt alpha và các ion) hoặc do tác động của nguồn bức xạ năng lượng lớn từ ống tia X.

- Hoặc từ các nguồn phóng xạ thích hợp.

Thông thường, kích thước điện tử trực tiếp được dùng trong kỹ thuật thăm dò vi lượng điện tử, còn các nguồn đồng vị phóng xạ và máy phát Proton thường gắn liền với tán xạ năng lượng.
 
Phát xạ X-ray (X-ray Emission)

Trong thí nghiệm quang phổ điển hình, người ta thường bắn phá nguyên tử trung hòa bằng một nguồn năng lượng xác định. Nguồn năng lượng cung cấp có thể khác nhau tùy thuộc vào kỹ thuật áp dụng.

Ví dụ: Trong thí nghiệm XRF người ta chiếu bức xạ tia X (Tia X sơ cấp) vào các nguyên tử, còn trong thí nghiệm phát xạ quang học người ta phải dùng đến sự phóng điện hoặc nguồn Plasma nhiệt độ lớn để cấp năng lượng. Sau đó, nguyên tử sẽ hấp thụ một phần hoặc toàn phần năng lượng đủ để dịch chuyển các electron. Sự chuyển dịch của các electron có thể xảy ra trong nguyên tử, nghĩa là bằng cách hấp thụ năng lượng kích thích các electron chuyển lên mức năng lượng cao hơn trong nguyên tử. Khi đó người ta có được nguyên tử bị kích thích. Electron cũng có thể bứt ra khỏi nguyên tử, khi đó người ta có được nguyên tử bị ion hóa (Ion dương) do hạt nhân thừa điện tích dương. ở trạng thái thông thường có thể tồn tại cả các nguyên tử bị kích thích lẫn các ion.

Khi chùm tia X từ ống tia X tương tác với mẫu sẽ xảy ra các hiệu ứng sau:
 
Thực ra, tán xạ tia X có thể so sánh được với đường đi của tia sáng mặt trời (Trong dải sóng điện từ hơi dài hơn tia X) bị tán xạ qua lăng kính thành dải mầu của phổ nhìn thấy. Việc xác định góc mà ở đó xuất hiện mầu thực chất là phép đo bước sóng của nó. Nói chung, góc tán xạ của mỗi vạch phổ trong chùm tia X có thể cho phép đo được nguyên tố mà nguồn gốc của chúng được xác định một cách duy nhất. Tán xạ tia X luôn đảm bảo về hướng các tia X qua tinh thể được chọn lựa đặc biệt có cùng một đường như một cách tử nhiễu xạ.

Sở dĩ một góc nào đó của tinh thể có tính chất nhiễu xạ trước hết là vì khoảng cách giữa các mặt của chúng có thể so sánh với bước sóng tia X đó.

Tán xạ trong đó bước sóng không đổi gọi là tán xạ kết hợp. Có 2 trường hợp:

- Chùm tia X chiếu vào nguyên tử nhưng chưa đủ làm bật electron ra ngoài nên tia thứ cấp chỉ bị lệch hướng chứ chưa mất năng lượng cấp cho electron (Năng lượng sơ cấp gần bằng năng lượng tán xạ).

- Chùm tia X với bức xạ mềm (Bước sóng lớn) năng lượng nhỏ không đủ ion hóa và không làm bật electron ra khỏi nguyên tử.

Tán xạ trong đó bước sóng thay đổi gọi là tán xạ không kết hợp, cũng có 2 trường hợp:

- Khi chùm tia X có năng lượng nhỏ nhưng lớn hơn năng lượng liên kết của nguyên tử bị bắn phá.

- Khi chùm tia X có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết của nguyên tử bị bắn phá (Nguyên tố có số thứ tự lớn).

Thực tế luôn tồn tại cả 2 loại tán xạ (Kết hợp và compton) của photon cho một trong các electron của nguyên tử (Chẳng hạn như electron ở lớp vỏ K) và làm bật nó ra khỏi nguyên tử dẫn đến phân bố các electron trong nguyên tử ion hóa mất cân bằng và trong một khoảng thời gian rất ngắn nó quay về trạng thái bình thường bằng cách chuyển các điện tử từ lớp vỏ ngoài vào lớp vỏ bên trong. Mỗi chuyển đổi electron như vậy (Ví dụ như chuyển từ vỏ L vào vỏ K) đều thể hiện tổn thất thế năng của nguyên tử. Năng lượng này tái hiện như một photon (Trường hợp này là photon Kα) mà năng lượng là chênh lệch giữa năng lượng liên kết của hai lớp vỏ. Một trong hai quá trình có thể xảy ra như sau:

- Photon X-ray thóat khỏi nguyên tử và góp phần vào bức xạ đặc trưng nguyên tử (Hình C.1):

- Photon bị hấp thụ trên đường thoát ra trong chính nguyên tử và ion hóa nguyên tử ở lớp vỏ ngoài (Ví dụ photon Kα có thể làm bật electron ở vỏ L, M hoặc N; Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Auger). Nguyên tử ion hóa biến thành nguồn bức xạ như đ. giải thích ở trên (Hình C.2). Cũng cần phải lưu ý rằng, có thể xuất hiện 2 hoặc nhiều “Lỗ trống” ở lớp vỏ ngoài do hiệu ứng Auger. Sự tạo thành “Lỗ trống” đúp thể hiện qua sự xuất hiện các đỉnh phụ.
 
Phát xạ Auger có khả năng xảy ra nhiều hơn với các nguyên tố nhẹ trong khi phát xạ X-ray thích hợp hơn với các nguyên tố nặng.

Khả năng mà photon X-ray được bức xạ (Thay cho một electron Auger) gọi là Hiệu suất huỳnh quang (Fluorescence yield).

Trong thực tế phép đo phổ X-ray thường sử dụng các vạch K để đo các nguyên tố có số nguyên tử thấp đến trung b.nh, trong khi các vạch L (Hoặc thậm chí cả các vạch M) để đo các nguyên tố nặng.