Tán xạ tia x là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm tán xạ tia X

Tán xạ tia X (X-ray scattering) là quá trình vật lý trong đó các photon tia X bị lệch hướng khi va chạm với vật chất, đặc biệt là các điện tử trong nguyên tử. Quá trình này không làm ion hóa chất tương tác mà chỉ thay đổi hướng truyền của photon, giúp thu được thông tin không phá hủy về cấu trúc nội tại của vật liệu.

Các photon tia X mang năng lượng lớn (trong khoảng 100 eV đến hàng trăm keV) nên có khả năng thâm nhập sâu vào vật chất và tương tác mạnh với các điện tử lớp trong. Khi tia X gặp vật liệu, một phần sẽ bị hấp thụ, một phần truyền qua và một phần bị tán xạ. Tán xạ có thể xảy ra ở mọi góc tùy thuộc vào kiểu tương tác và cấu trúc vật liệu.

Hiện tượng tán xạ tia X là cơ sở của nhiều kỹ thuật phân tích hiện đại, ví dụ như nhiễu xạ tia X (XRD), tán xạ góc nhỏ (SAXS) và tán xạ góc rộng (WAXS), cho phép xác định cấu trúc tinh thể, polymer, protein và vật liệu nano không phá hủy mẫu.

Nguyên lý vật lý và bản chất tương tác

Tán xạ tia X chủ yếu liên quan đến tương tác của photon với điện tử. Trong tán xạ đàn hồi, hay còn gọi là tán xạ Thomson hoặc Rayleigh, photon không mất năng lượng mà chỉ đổi hướng, phản ánh trực tiếp mật độ điện tử của vật chất. Phổ năng lượng không bị thay đổi.

Ngược lại, tán xạ không đàn hồi như hiệu ứng Compton xảy ra khi photon truyền năng lượng cho điện tử tự do hoặc gần tự do. Kết quả là photon bị tán xạ với năng lượng thấp hơn và bước sóng dài hơn, tuân theo phương trình Compton:

$\lambda' - \lambda = \frac{h}{m_e c}(1 - \cos\theta)$

Trong đó:

• $\lambda'$: bước sóng sau tán xạ
• $\lambda$: bước sóng ban đầu
• $h$: hằng số Planck
• $m_e$: khối lượng electron
• $c$: tốc độ ánh sáng
• $\theta$: góc tán xạ

Đặc tính phổ tán xạ cho phép xác định tính chất điện tử, hóa học và cấu trúc sâu trong vật liệu. Tán xạ đàn hồi thích hợp cho phân tích cấu trúc hình học, trong khi tán xạ không đàn hồi cung cấp thông tin về liên kết và động học.

Các loại tán xạ tia X

Các dạng tán xạ tia X được phân loại dựa trên sự bảo toàn năng lượng và kiểu tương tác điện tử. Mỗi loại phản ánh một cơ chế vật lý riêng biệt và phù hợp với mục đích nghiên cứu khác nhau.

Loại tán xạ	Đặc điểm	Ứng dụng chính
Tán xạ Rayleigh	Đàn hồi, không thay đổi năng lượng	Hình ảnh hóa cấu trúc tinh thể
Tán xạ Compton	Không đàn hồi, mất năng lượng	Phân tích liên kết điện tử
Tán xạ Bragg	Giao thoa xây dựng trong mạng tinh thể	Nhiễu xạ XRD

Hiện tượng tán xạ Bragg là trường hợp đặc biệt khi các sóng tia X bị phản xạ từ các mặt phẳng nguyên tử trong tinh thể, tạo ra hiện tượng giao thoa và tăng cường tín hiệu ở các góc nhất định.

Phương trình Bragg và tán xạ nhiễu xạ

Khi tia X tương tác với mạng tinh thể, sự giao thoa giữa các sóng phản xạ tạo nên nhiễu xạ, được mô tả bởi phương trình Bragg:

$n\lambda = 2d\sin\theta$

Trong đó:

• $n$: bậc nhiễu xạ
• $\lambda$: bước sóng tia X
• $d$: khoảng cách mặt phẳng nguyên tử
• $\theta$: góc tới của tia X

Phương trình này cho phép xác định cấu trúc tinh thể bằng cách đo góc tán xạ và bước sóng biết trước. Nhiễu xạ Bragg đặc biệt mạnh với vật liệu có trật tự tinh thể cao như kim loại, ceramic, và khoáng vật.

Thiết bị đo XRD (X-ray diffraction) sử dụng kỹ thuật này để xây dựng bản đồ cấu trúc tinh thể, phát hiện pha, đánh giá biến dạng hoặc kích thước hạt tinh thể trong vật liệu.

Các kỹ thuật sử dụng tán xạ tia X

Tán xạ tia X là nền tảng của nhiều kỹ thuật phân tích cấu trúc vật liệu ở cấp độ nguyên tử và phân tử. Tùy thuộc vào góc tán xạ, cường độ và bước sóng, các kỹ thuật sẽ cung cấp thông tin khác nhau về cấu trúc và tính chất vật chất.

Một số kỹ thuật chính bao gồm:

• XRD (X-ray Diffraction): phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ Bragg
• SAXS (Small Angle X-ray Scattering): khảo sát cấu trúc nano kích thước từ 1–100 nm
• WAXS (Wide Angle X-ray Scattering): phân tích vật liệu bán tinh thể, polymer và chất lỏng
• XRR (X-ray Reflectometry): đo chiều dày và mật độ lớp mỏng

Các kỹ thuật này thường yêu cầu nguồn tia X đơn sắc, máy dò độ nhạy cao và phần mềm xử lý tín hiệu để phân tích dữ liệu tán xạ thu được.

Ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu

Trong khoa học vật liệu, tán xạ tia X là phương pháp không phá hủy để phân tích cấu trúc vật liệu. Nó cho phép:

• Xác định dạng tinh thể (cubic, tetragonal, hexagonal...)
• Đo kích thước hạt tinh thể thông qua độ rộng đỉnh nhiễu xạ (phương pháp Scherrer)
• Phát hiện tạp chất và đánh giá sự đồng nhất vật liệu

Các vật liệu như oxit bán dẫn, hợp kim, ceramic, vật liệu nano, và màng mỏng đều có thể được phân tích hiệu quả nhờ tán xạ tia X. Đây là công cụ quan trọng trong phát triển vật liệu năng lượng, điện tử, và siêu dẫn.

Tán xạ tia X trong sinh học phân tử

Trong sinh học cấu trúc, tán xạ tia X – đặc biệt là nhiễu xạ đơn tinh thể – được dùng để xác định cấu trúc không gian ba chiều của protein, DNA, RNA và enzyme với độ phân giải nguyên tử.

Kỹ thuật này gồm các bước: tạo tinh thể sinh học, chiếu tia X, thu phổ tán xạ, xử lý dữ liệu và xây dựng mô hình nguyên tử. Thành tựu lớn nhất là xác định được cấu trúc xoắn kép DNA và hàng nghìn protein mục tiêu trong y học.

Dữ liệu cấu trúc được lưu trữ và chia sẻ trên hệ thống RCSB Protein Data Bank, giúp cộng đồng nghiên cứu khai thác và phân tích hiệu quả hơn.

Các nguồn phát tia X trong nghiên cứu

Để tiến hành tán xạ tia X, cần nguồn tia X ổn định và có thể điều chỉnh bước sóng. Hai loại nguồn phổ biến gồm:

• Ống phát tia X trong phòng thí nghiệm: dùng anode Cu, Mo, Co, tạo ra tia X đặc trưng (Kα, Kβ)
• Synchrotron: nguồn tia X siêu sáng, đơn sắc hóa cao, sử dụng trong nghiên cứu nâng cao

Các cơ sở nghiên cứu lớn như ESRF – European Synchrotron Radiation Facility hoặc Canadian Light Source cung cấp nền tảng cho các thí nghiệm cần độ phân giải và độ nhạy cao.

Giới hạn và thách thức

Dù hiệu quả, tán xạ tia X có một số giới hạn:

• Không nhạy với nguyên tử nhẹ như hydro
• Yêu cầu mẫu có trật tự tinh thể (đối với XRD)
• Khó phân tích các vật liệu vô định hình hoặc dị thể cao

Chi phí thiết bị cao, yêu cầu kỹ thuật cao trong chuẩn bị mẫu và xử lý dữ liệu cũng là rào cản cho các ứng dụng đại trà, đặc biệt trong nghiên cứu sinh học.

Tài liệu tham khảo

1. Als-Nielsen, J., & McMorrow, D. (2011). Elements of Modern X-ray Physics. Wiley.
2. Guinier, A. (1994). X-ray Diffraction in Crystals, Imperfect Crystals, and Amorphous Bodies. Dover.
3. Nature – X-ray Scattering Collection
4. RCSB Protein Data Bank
5. European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)
6. Canadian Light Source