Nhận viết luận văn Đại học , thạc sĩ - Zalo: 0917.193.864 Tham khảo bảng giá dịch vụ viết bài tại: vietbaocaothuctap.net Download luận văn thạc sĩ ngành vật lí với đề tài: Ứng dụng phương pháp hủy pô-si-trôn để nghiên cứu ảnh hưởng của sắt trong cấu trúc một vài vật liệu zê-ô-lit, cho các bạn làm luận văn tham khảo

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
PHẠM THỊ MAI
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP HỦY
PÔ-SI-TRÔN ĐỂ NGHIÊN CỨU ẢNH
HƯỞNG CỦA SẮT TRONG CẤU TRÚC
MỘT VÀI VẬT LIỆU ZÊ-Ô-LIT
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ
Thành phố Hồ Chí Minh - 2012

2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
PHẠM THỊ MAI
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP HỦY
PÔ-SI-TRÔN ĐỂ NGHIÊN CỨU ẢNH
HƯỞNG CỦA SẮT TRONG CẤU TRÚC
MỘT VÀI VẬT LIỆU ZÊ-Ô-LIT
Chuyên ngành: Vật lí hạt nhân-nguyên tử-năng lượng cao
Mã số: 60 44 05
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN QUỐC DŨNG
Thành phố Hồ Chí Minh - 2012

3. LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu luận văn, tôi đã nhận được sự
quan tâm, chỉ bảo tận tình với tinh thần khoa học và trách nhiệm cao của các
Thầy, Cô. Nhân đây, cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
• TS. Trần Quốc Dũng, người thầy đã giảng dạy, định hướng đề tài
luận văn, tận tình hướng dẫn trong nghiên cứu khoa học.
• TSKH. Lê Văn Hoàng đã đọc và góp ý cho bài báo khoa học.
• Các Thầy, Cô trong hội đồng phản biện và báo cáo đã dành thời
gian đọc, và cho ý kiến đóng góp quý báu về luận văn.
• Các thầy, cô trong khoa vật lí, trường Đại học Sư phạm Thành phố
Hồ Chí Minh và đặc biệt là các thầy cô đã trực tiếp dạy dỗ và giúp đỡ
tôi trong suốt thời gian học tập.
• Các chuyên viên của phòng đào tạo sau Đại Học, trường ĐHSP
TP. HCM đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi được học tập, nghiên
cứu và báo cáo luận văn.
Xin cảm ơn Bố, Mẹ, hai anh và bạn bè đã luôn là nguồn động viên, cỗ
vũ tinh thần, giúp tôi hoàn thành luận văn.
TP. Hồ Chí Minh - 2012

4. MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................2
MỤC LỤC............................................................................................................3
DANH MỤC BẢNG............................................................................................5
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ......................................................................6
MỞ ĐẦU ..............................................................................................................8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZÊ-Ô-LIT ..............................17
1.1. Thành phần hóa học, đặc tính và cấu trúc zê-ô-lit.................................................17
1.1.1. Thành phần hóa học và đặc tính.....................................................................17
1.1.2. Cấu trúc khung của zê-ô-lit............................................................................19
1.2. Phân loại zê-ô-lit....................................................................................................23
1.2.1. Phân loại theo nguồn gốc ...............................................................................23
1.2.2. Phân loại theo kích thước lỗ rỗng ..................................................................23
1.2.3. Phân loại theo chiều trong không gian của các lỗ bên trong cấu trúc............24
1.2.4. Phân loại theo thành phần hóa học.................................................................25
1.3. Tính chất cơ bản của zê-ô-lit và một số ứng dụng ................................................26
1.3.1. Tính chất trao đổi ca-ti-ôn..............................................................................26
1.3.2. Tính hấp phụ có chọn lọc nước và các chất phân cực....................................27
1.3.3. Tính a-xit bề mặt, hoạt tính xúc tác................................................................28
1.3.4. Tính chất chọn lọc hình dạng.........................................................................31
1.4. Tổng hợp zê-ô-lit...................................................................................................32
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP HỦY PÔ-SI-TRÔN ....34
2.1. Sự tạo thành và sự hủy pô-si-trôn..........................................................................34
2.1.1. Pô-si-trôn, hạt phản vật chất...........................................................................34

5. 2.1.2. Các nguồn pô-si-trôn......................................................................................35
2.1.3. Tương tác của pô-si-trôn với vật chất, sự hủy pô-si-trôn...............................38
2.2. Lí thuyết về phương pháp hủy pô-si-trôn..............................................................50
2.2.1. Phương pháp đo thời gian sống......................................................................52
2.2.2. Đo độ dãn nở Đôp-le......................................................................................57
2.3. Giới thiệu về phần mềm phân tích phổ LT............................................................61
2.3.1. Giới thiệu chung.............................................................................................61
2.3.2. Định nghĩa các số hạng chính được sử dụng trong LT..................................63
2.3.3. Mô hình lí thuyết............................................................................................64
CHƯƠNG 3 : Ứng dụng phương pháp hủy pô-si-trôn để nghiên cứu ảnh
hưởng của sắt trong cấu trúc vật liệu SBA-15 ...............................................68
3.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................................68
3.1.1. Khái quát về vật liệu SBA-15 và Fe-SBA-15................................................68
3.1.2. Sự hủy pô-si-trôn trong vật liệu xốp trung bình SBA-15 ..............................70
3.1.3. Tổng hợp zê-ô-lit SBA và Fe-SBA-15...........................................................71
3.2. Hệ đo......................................................................................................................72
3.3. Kết quả đo và thảo luận.........................................................................................72
3.3.1. Thời gian sống của pô-si-trôn trong hai mẫu đo............................................73
3.3.2. Độ dãn nở Đôp-le trong hai mẫu đo...............................................................75
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..........................................................................78
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................79

6. DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Phân loại zê-ô-lit theo kích thước lỗ rỗng................................................ 24
Bảng 2.1: Một số nguồn pô-si-trôn và cách tạo nguồn ........................................... 36
Bảng 3.1: Các giá trị thành phần thời gian sống và cường độ tương ứng ...............73
Bảng 3.2: Các giá trị bán kính lỗ iR tương ứng thời gian sống iτ ............................ 75
Bảng 3.3: Các tham số để đánh giá độ dãn nở Đôp-le ............................................. 77

7. DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Đơn vị cấu trúc sơ cấp.............................................................................. 19
Hình 1.2: Đơn vị cấu trúc thứ cấp SBU ................................................................... 19
Hình 1.3: Cấu trúc sô-đa-lit...................................................................................... 20
Hình 1.4: Mô hình zê-ô-lit A và X. .......................................................................... 20
Hình 1.5: Vị trí EFW của ca-ti-ôn Al3+
(EFAl)........................................................ 21
Hình 1.6: Ba vị trí EFW (I, II, III) trong cấu trúc khung của zê-ô-lit loại X. .......... 22
Hình 1.7: Các vị trí EFW trong cấu trúc zê-ô-lit Da-chi-a-đit ................................ 22
Hình 1.8: Ba kiểu phân bố trong không gian của lỗ rỗng ........................................ 24
Hình 1.9: Mô hình zê-ô-lit hấp phụ chất phân cực................................................... 28
Hình 1.10: Quá trình trao đổi ca-ti-ôn Na+
lấy ca-ti-ôn H+
...................................... 29
Hình 1.11: Tâm a-xit Brôn-tet của zê-ô-lit............................................................... 29
Hình 1.12: Quá trình de-hy-đrô-xin chuyển tâm a-xit Brôn-tet thành a-xit Lê-it. .. 30
Hình 2.1: Sơ đồ phân rã của đồng vị phóng xạ 22
Na ……………...........................36
Hình 2.2: Nguyên lí của sự mở kênh trong tinh thể ………………………………40
Hình 2.3: Các quá trình tương tác của pô-si-trôn trong tinh thể .............................. 42
Hình 2.4: Giản đồ phương bay ra của hai phô-tôn hủy............................................ 46
Hình 2.5: Tổng hợp các cơ chế hủy pô-si-trôn trong vật rắn ................................... 50
Hình 2.6: Tổng hợp các phương pháp hủy pô-si-trôn cơ bản .................................. 51
Hình 2.7: Sơ đồ hệ đo thời gian sống của pô-si-tron................................................ 53
Hình 2.8: Sơ đồ bằng chữ của hệ đo thời gian sống của pô-si-trôn ......................... 54
Hình 2.9: Sơ đồ hệ đo độ dãn nở Đôp-le.................................................................. 57
Hình 2.10: Sơ đồ trùng phùng để đo phổ giãn nở Đôp-le có giảm phông ............... 58
Hình 2.11: Phổ trùng phùng Đôp-le của Ga As – Zn............................................... 59
Hình 2.12: Cách xác định diện tích vùng Np và Nw dưới đường cong phổ ............ 60
Hình 2.13: Giao diện phần mềm LT v9.................................................................... 62
Hình 3.1: Mô hình mao quản lục lăng của SBA-15 ................................................. 69
Hình 3.2: Mô hình sự kết nối các kênh mao quản của SBA-15............................... 69
Hình 3.3: Phổ thời gian sống của mẫu SBA-15 ....................................................... 73

8. Hình 3.4: Phổ thời gian sống của mẫu Fe-SBA-15.................................................. 73
Hình 3.5: Giao diện phần mềm xử lí số liệu Sigmaplot và các tham số đánh giá độ
dãn nở Đôp-le trong mẫu SBA-15............................................................................ 76
Hình 3.6: Giao diện phần mềm xử lí số liệu Sigmaplot và các tham số đánh giá độ dãn
nở Đôp-le trong mẫu Fe-SBA-15 ............................................................................. 77

9. MỞ ĐẦU
Pô-si-trôn - phản hạt của ê-lec-trôn, được tiên đoán bởi Đi-rắc (Dirac) vào năm
1928 và bị phát hiện trong các tia vũ trụ bởi An-đê-sân (Anderson) vào năm 1932, là
phản hạt đầu tiên được khẳng định trong thế giới hạt vi mô. Từ đó đến nay, các lí
thuyết và thực nghiệm về pô-si-trôn cũng như ứng dụng của kĩ thuật pô-si-trôn trong
nhiều lĩnh vực khác nhau đã phát triển mạnh mẽ. Sự hủy của pô-si-trôn với ê-lec-trôn
trong môi trường vật chất bắt đầu được nghiên cứu từ những năm bốn mươi của thế kỉ
hai mươi. Người ta sớm nhận ra rằng sự bảo toàn năng lượng và động lượng của cặp
hủy trong suốt quá trình hủy rất hữu hiệu trong nghiên cứu đặc tính lí-hóa của vật
chất. Phương pháp phổ kế hủy pô-si-trôn để nghiên cứu sự phân bố của ê-lec-trôn
trong kim loại và hợp kim đã sớm được thực hiện bởi Be-rin-gơ (Behringer) và Môn-
gô-me-ry (Montgomery) (1942); Bê-nê-det-ti (Benedetti) (1950) và được tổng hợp bởi
Quét (West R. N.) [53]. Những kĩ thuật thực nghiệm khác nhau về sự hủy pô-si-trôn
nhờ hệ phổ kế đã phát triển mạnh mẽ trong hai thập niên sau năm 1945. Phép đo góc
tương quan của các gam-ma hủy, phép đo độ dãn nở Đôp-le (Doppler) của đường hủy,
phép đo thời gian sống của pô-si-trôn đã được thiết lập một cách độc lập. Vào cuối
những năm 1960, người ta nhận ra rằng các tham số hủy pô-si-trôn không chỉ rất nhạy
với mật độ ê-lec-trôn mà còn với cả mật độ các khuyết tật trong mạng tinh thể không
hoàn hảo. Các pô-si-trôn có thể bị bẫy trong các khuyết tật này và bị hủy bên trong đó.
Nghiên cứu các khuyết tật tinh thể đã trở thành vấn đề được quan tâm nhiều nhất trong
các lĩnh vực sử dụng phương pháp hủy pô-si-trôn. Đến giữa những năm 1980, nghiên
cứu khuyết tật được tiến hành chủ yếu trong kim loại và hợp kim. Thời gian gần đây,
phương pháp hủy pô-si-trôn được áp dụng chủ yếu để nghiên cứu khuyết tật trong chất
bán dẫn, dưới dạng đơn chất hoặc hợp chất.
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các kỹ thuật pô-si-trôn ngày càng
được cải tiến và hoàn thiện hơn, chẳng hạn sự kết hợp hai phương pháp đo phổ thời
gian sống và dãn nở Đôp-le hình thành phương pháp mới, đó là phương pháp tương
quan thời gian - động lượng; phát triển phép đo xác suất hủy ba gam-ma. Bên cạnh đó,
người ta còn khám phá thêm nhiều phương pháp mới xây dựng một cái nhìn toàn diện
hơn về các kỹ thuật pô-si-trôn như: kỹ thuật kính hiển vi và máy dò pô-si-trôn;

10. phương pháp bức xạ hủy pô-si-trôn tạo phổ ê-lec-trôn Au-gơ (Auger); và phương
pháp nhiễu xạ pô-si-trôn năng lượng thấp.
Sự phát triển rộng khắp trên toàn thế giới của các kỹ thuật hủy pô-si-trôn thể
hiện rõ qua các hội nghị quốc tế về bức xạ hủy pô-si-trôn ICPA (International
conference on positron annihilation), hội nghị quốc tế về tán xạ của pô-si-trôn trong
các chất khí (International worshops on positron collisions in gases), hội nghị quốc tế
về các kỹ thuật làm chậm pô-si-trôn SLOPOS (International conferences on slow
positron – beam techniques), hội nghị quốc tế về hóa học pô-si-trô-ni-um và pô-si-trôn
(International worshops on positron and positronium chemistry),… với hàng ngàn bài
báo được công bố. Ở nước ta, các kỹ thuật pô-si-trôn bước đầu được quan tâm.
PGS.TS Mai Văn Nhơn là người đầu tiên tiếp cận và khảo sát tổng thể về khả năng sử
dụng ba phương pháp thực nghiệm: dãn nở Đôp-le, tương quan góc, kỹ thuật thời gian
sống của pô-si-trôn trong nghiên cứu vật liệu biến dạng đàn hồi tại Đức cùng với GS.
Pri-e-mây-ơ (Priesmeyer) từ những năm 1990-1991. Công trình nghiên cứu này được
công bố trong các bài báo cáo “Application of positron annihilation to nondestructive
Testing” và “Combined Neutron Scattering – Neutron Capture Gamma rays and
Positron Annihilation studies on Materials under Elastic and Plastic – deformation”.
Trung tâm hạt nhân Thành Phố Hồ Chí Minh là nơi đầu tiên ở nước ta được trang bị
hệ phổ kế thời gian sống của pô-si-trôn (năm 2005) và đã bắt đầu áp dụng để nghiên
cứu độ rỗng của đá, kim loại,… Tại trường đại học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG thành
phố Hồ Chí Minh, TS. Châu Văn Tạo đã tính toán năng lượng hình thành lỗ trống đơn
và đôi trong một số kim loại và hợp kim, và cùng với ThS. Trịnh Hoa Lăng đã áp
dụng lí thuyết hàm mật độ để tính năng lượng tương quan pô-si-trôn – ê-lec-trôn trong
kim loại đồng (cấu trúc FCC) [4].
Thông tin về cấu trúc vật chất có thể được cung cấp bằng nhiều phương pháp
phổ kế khác nhau, mỗi phương pháp đều có ưu điểm và hạn chế riêng. Phương pháp
kính hiển vi điện tử quét – SEM, là kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân
giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét lên bề mặt
vật mẫu và ghi nhận thông tin nhờ các bức xạ phát ra do tương tác của chùm điện tử
với bề mặt vật mẫu. Đây là phương pháp phân tích không phá hủy mẫu và cho độ hội

11. tụ sâu hơn đối với kính hiển vi quang học, tuy nhiên cho độ phân giải không tốt so với
kính hiển vi điện tử truyền qua. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua – TEM,
là một loại kính hiển vi quang học sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu
xuyên qua mẫu nhỏ và sử dụng các thấu kính từ để thu được ảnh với độ phóng đại cực
lớn. Đây là phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ điện tử và khá nhạy
đối với mật độ các sai hỏng tinh thể. Tuy nhiên mẫu phân tích phải đủ mỏng để có thể
cho chùm điện tử xuyên qua, do đó tốn kém thời gian và kinh phí gia công. Hơn nữa,
phương pháp này chỉ được tiến hành trong môi trường chân không cao vì cần sử dụng
chùm điện tử năng lượng cao. Phương pháp kính hiển vi lực nguyên tử – AFM, là loại
kính hiển vi quan sát cấu trúc vi mô của bề mặt vật rắn dựa trên nguyên tắc xác định
lực tương tác nguyên tử giữa một đầu mũi dò nhọn với bề mặt của mẫu. Đây là
phương pháp phân tích không phá mẫu và có độ phân giải tốt hơn kính hiển vi quét.
Tuy nhiên, kích thước ảnh của AFM chỉ đo được với chiều cao lớn nhất cỡ vài mµ và
vùng quét nằm trong phạm vi khoảng 150 mµ . So với các phương pháp phổ kế trên,
phương pháp hủy pô-si-trôn - PAS là một công cụ phân tích không phá mẫu hiệu quả.
Ưu điểm nổi bật nhất của PAS là nó rất nhạy với mật độ ê-lec-trôn và mật độ khuyết
tật tinh thể và là công cụ hữu hiệu để phân tích các sai hỏng kích thước cực nhỏ.
Ngoài ra, vì ta có thể kiểm soát được năng lượng của chùm pô-si-trôn nên đo được các
sai hỏng có kích thước bất kì tại vị trí bất kì trong tinh thể với độ chính xác khá cao.
Zê-ô-lit là tên gọi chung để chỉ một họ các vật liệu khoáng vô cơ, còn được biết
đến như là một loại “rây phân tử”, được ứng dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực, trong
đó nổi bật nhất là công nghệ xúc tác. Cho đến nay, zê-ô-lit vẫn là vật liệu được sử
dụng rộng rãi nhất làm chất xác tác trong công nghiệp, nhờ vào các đặc tính quý báu:
có diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao; có cấu trúc hệ các kênh và lỗ rỗng
đồng nhất, tương thích với nhiều loại phân tử thường gặp trong công nghiệp lọc hóa
dầu; có tính a-xit bề mặt; tính chất lựa chọn hình dạng đối với các phân tử phản ứng,
sản phẩm phản ứng và cả trạng thái chuyển tiếp; có độ bền nhiệt và thủy nhiệt cao.
Chính vì thế mà zê-ô-lit đã thu hút được sự chú ý của nhiều nhà khoa học trên thế
giới. Ở Việt Nam, bước đầu có những thành công rõ rệt về việc sản xuất cũng như ứng
dụng vật liệu zê-ô-lit vào các lĩnh vực của đời sống. Điển hình là công nghệ mang tính

12. đột phá của các chuyên gia đại học Bách Khoa Hà Nội trong sản xuất thành công vật
liệu zê-ô-lit từ khoáng sét thiên nhiên. Công nghệ chuyển hóa từ cao lanh không nung
thành zê-ô-lit là một sáng chế mới trong sản xuất zê-ô-lit rẻ tiền, đáp ứng được nhu
cầu rất lớn hiện nay ở Việt Nam, và đặc biệt chưa có quốc gia nào nghĩ ra ý tưởng
này.
Cho đến nay, có khoảng hơn 40 loại zê-ô-lit có sẵn trong tự nhiên và khoảng
200 loại zê-ô-lit nhân tạo với nhiều tính chất ưu việt hơn: đồng nhất về thành phần,
độ tinh khiết cao, độ bền cơ học cao. Gần đây, sự khám phá ra các vật liệu xốp trung
bình gây được sự chú ý bởi vì chúng có diện tích bề mặt riêng lớn, sự phân bố kích
thước lỗ đồng bộ, kích thước lỗ lớn, khả năng ứng dụng cao trong xúc tác, sự tách và
sự hấp phụ. Trong họ các vật liệu xốp trung bình, vật liệu SBA-15 được tổng hợp dưới
điều kiện a-xit cho kích thước lỗ lớn hơn và thành lỗ dày hơn so với M41S. Vật liệu
xốp trung bình chứa sắt được đặc biệt quan tâm bởi các đặc tính xúc tác độc nhất của
chúng đối với nhiều phản ứng khác nhau, chẳng hạn như quá trình ô-xi hóa hy-đrô-
cac-bon, sự tách N2O, sự giảm tính xúc tác lựa chọn của NO và N2O khi có mặt hy-
đrô-cac-bon hay a-mô-ni-ac.
Trước nhu cầu cần tìm hiểu thêm về vật liệu ngày càng được sử dụng phổ biến
zê-ô-lit và trên cơ sở những báo cáo về ứng dụng phương pháp hủy pô-si-trôn để
nghiên cứu cấu trúc vật liệu zê-ô-lit vẫn còn hạn chế ở nước ta. Tôi chọn đề tài luận
văn: “Ứng dụng phương pháp hủy pô-si-trôn để nghiên cứu ảnh hưởng của sắt
trong cấu trúc một vài vật liệu zê-ô-lit”. Sản phẩm nghiên cứu được sẽ là tài liệu
tham khảo về khả năng ứng dụng phương pháp hủy pô-si-trôn để nghiên cứu cấu trúc
vật liệu zê-ô-lit.
Mục tiêu tổng quát của đề tài là nghiên cứu cấu trúc của vật liệu zê-ô-lit trên cơ
sở áp dụng phương pháp hủy pô-si-trôn. Với mục tiêu tổng quát đó, các mục tiêu cụ
thể cần đạt được: hiểu biết tổng quan về vật liệu zê-ô-lit; hiểu biết về các kỹ thuật hủy
pô-si-trôn trong nghiên cứu vật liệu, đặc biệt là phương pháp đo thời gian sống của
pô-si-trôn và phương pháp đo độ dãn nở Đôp-le; hiểu biết về kỹ thuật đo và kỹ thuật
phân tích phổ hủy pô-si-trôn bằng chương trình LT-v9 để nghiên cứu cấu trúc vật

13. chất; biết áp dụng phương pháp hủy pô-si-trôn để nghiên cứu ảnh hưởng của sắt trong
cấu trúc SBA-15.
Nội dung bài luận văn được trình bày gồm 3 phần chính.
Chương 1: “Tổng quan về vật liệu zê-ô-lit”. Trong phần này, tác giả trình bày
các đặc điểm về thành phần hóa học, đặc tính và cấu trúc khung; phân loại; tính chất
cơ bản và một số ứng dụng; tổng hợp zê-ô-lit. Vật liệu zê-ô-lit được khám phá đầu
tiên bởi nhà khoáng vật học Thụy Điển A-xeo Fre-dric Crôn-tet (Axel Fredrik
Cronstedt) vào năm 1756. Thuật ngữ “zeolite” được dùng dựa trên từ Hi Lạp “zein”
(nghĩa là “sôi”) và “lithos” (nghĩa là “đá”) bởi vì zê-ô-lit giải phóng hơi nước khi đun
nóng. Zê-ô-lit phổ biến nhất là vật liệu khoáng vô cơ chứa những tinh thể A-lu-mi-nô-
si-li-cat ngậm nước và chứa các ca-ti-ôn nhóm 1 hay nhóm 2 của bảng hệ thống tuần
hoàn. Cấu trúc khung của zê-ô-lit được tạo thành từ 4 liên kết của các nguyên tử si-lic
(Si) và nhôm (Al) với nguyên tử ô-xi (O), làm nên một khối tứ diện AlO4 và SiO4.
Trong đó, một nguyên tử Si (hoặc Al) ở giữa và các nguyên tử O ở các góc. Các khối
tứ diện góp chung các góc hoặc các cạnh, vì vậy số lượng nguyên tử O gấp đôi tổng số
lượng nguyên tử Si và Al. Vì Si có hóa trị 4 nên tứ diện SiO4 trung hòa điện, nhưng
Al có hóa trị 3 nên tứ diện AlO4 có điện tích âm. Các điện tích âm được cân bằng điện
bởi một số lượng thích hợp các ca-ti-ôn, phổ biến là các i-ôn kim loại kiềm hoặc kiềm
thổ (Na+
, K+
, Ca2+
, Mg2+
…), hoặc các i-ôn a-mô-ni bậc bốn.
Các vật liệu zê-ô-lit được đặc trưng bởi các kênh và lỗ rỗng phân bố theo nhiều
chiều trong không gian. Các kênh và lỗ rỗng của zê-ô-lit có kích thước thay đổi trong
một phạm vị hẹp bởi vì chúng có cấu trúc tinh thể. Đơn vị cấu trúc sơ cấp là các tứ
diện nhôm ô-xi AlO4 và si-lic ô-xi SiO4, giống nhau với mọi loại zê-ô-lit. Đơn vị cấu
trúc thứ cấp gồm các đơn vị cấu trúc sơ cấp kết nối lại với nhau. Việc lắp ghép khác
nhau sẽ tạo thành các đơn vị cấu trúc thứ cấp khác nhau. Sự đa dạng về cấu trúc của
zê-ô-lit phụ thuộc phần lớn vào cách thức các đơn vị cấu trúc thứ cấp liên kết để tạo
thành các khối đa diện khác nhau. Các khối đa diện này tiếp tục ghép với nhau theo
nhiều cách khác nhau, hình thành mạng lưới gồm các kênh và lỗ rỗng. Cấu trúc zê-ô-
lit không chỉ được quy định bởi các kiểu cấu trúc, mà còn cả sự phân bố của các ca-ti-

14. ôn bù trừ điện tích (Na+
, K+
, Ca+
, Ag+
, Zn2+
, Ga3+
,…) và các phân tử (H2O, CO,
NH3,…) ở các vị trí bên trong các lỗ rỗng hoặc kênh.
Các đặc trưng về thành phần hóa học, cấu trúc khung và sự phân bố của các ca-
ti-ôn bù trừ điện tích quy định tính chất hóa học của zê-ô-lit, nhờ đó, vật liệu xốp này
được ứng dụng rộng rãi trong đời sống. Tính chất trao đổi ca-ti-ôn của zê-ô-lit được
ứng dụng trong công nghiệp sản xuất chất giặt rửa, xử lí ô nhiễm môi trường. Trong
lĩnh vực y tế, zê-ô-lit giúp sản xuất ô-xi từ không khí, làm chất mang các dược phẩm
nhờ vào khả năng hấp phụ nước và các chất phân cực. Tính a-xit bề mặt, hoạt tính xúc
tác và tính chọn lọc hình dạng của zê-ô-lit đã và đang tạo một đột phá trong công nghệ
xúc tác, đặc biệt là xúc tác crac-kinh. Zê-ô-lit có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí
khác nhau. Trong luận văn, tác giả đã phân loại zê-ô-lit theo nguồn gốc; kích thước lỗ
rỗng; chiều của lỗ rỗng; thành phần hóa học. Các loại zê-ô-lit nhân tạo khác nhau
được quy định trực tiếp vào điều kiện tổng hợp chúng, vì vậy, trong mục “tổng hợp
zê-ô-lit”, các nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến kết quả tổng hợp đã được chỉ ra.
Chương 2: “Tổng quan về phương pháp hủy pô-si-trôn”. Chương này gồm 3
tiểu mục chính: sự tạo thành và hủy pô-si-trôn; lí thuyết về phương pháp hủy pô-si-
trôn; giới thiệu về phần mềm phân tích phổ LT
Ở tiểu mục “Sự tạo thành và hủy pô-si-trôn”, đầu tiên tác giả giới thiệu đôi nét
về thuộc tính của pô-si-trôn cũng như sự giống và khác nhau của cặp vật chất - phản
vật chất này. Tiếp theo, một số nguồn tạo pô-si-trôn phổ biến được chỉ ra, theo đó pô-
si-trôn có thể được tạo ra từ sự phân rã hạt nhân của các đồng vị phóng xạ; từ hiệu
ứng tạo cặp đối với các phô-tôn có năng lượng đủ lớn hoặc từ các phản ứng hạt nhân.
Nguồn pô-si-trôn thông dụng nhất là nguồn đồng vị 22
Na bởi các lí do: phân rã từ
nguồn đồng vị 22
Na cho xác suất phát ra pô-si-trôn cao 90,4%; sự phát ra lượng tử
gam-ma 1,27 MeV gần như đồng thời với pô-si-trôn (có năng lượng cực đại 540 keV),
nhờ vậy có thể đo được thời gian sống của pô-si-trôn bằng phổ kế gam-ma trùng
phùng; việc tìm nguồn Na khá dễ dàng từ các dung dịch muối của Natri (chẳng hạn từ
Na-tri-clo-rua hoặc Na-tri-a-xe-tat); thêm vào đó, chu kỳ bán rã khá dài 2,6 năm, giá
cả hợp lí nên phù hợp với mục đích sử dụng trong phòng thí nghiệm. Cuối cùng, tác
giả đề cập đến “Tương tác của pô-si-trôn với vật chất, sự hủy pô-si-trôn”. Những

15. tương tác cơ bản của pô-si-trôn với vật chất bao gồm : tán xạ ngược, mở kênh, nhiệt
hóa, khuếch tán, bị bẫy và bị hủy trong tinh thể. Một pô-si-trôn khi gặp bề mặt của vật
rắn, có thể bị tán xạ ngược trở lại, hoặc xuyên sâu vào mẫu. Khi vào trong mẫu, pô-si-
trôn nhanh chóng bị mất năng lượng do nhiệt hóa, rối khuếch tán trong khắp tinh thể
cho đến khi bị hủy. Thời gian nhiệt hóa chỉ vài ps, rất nhỏ so với thời gian sống của
pô-si-trôn trong vật chất (từ vài trăm ps trở lên), nên hầu hết pô-si-trôn hủy là pô-si-
trôn nhiệt. Sự hủy của pô-si-trôn (e+
) với ê-lec-trôn (e-
) có thể diễn ra ở trạng thái tự
do hoặc trạng thái liên kết giữa pô-si-tron cùng với ê-lec-trôn tạo thành pô-si-trô-ni-
um. Tùy vào sự định hướng spin của e+
và e-
đối với nhau, có hai trạng thái cơ bản
của nguyên tử pô-si-trô-ni-um: trạng thái pa-ra-pô-si-trô-ni-um (p-Ps) (khi spin của e-
và e+
ngược hướng) và or-tho-pô-si-trô-ni-um (o-Ps) (khi spin của e-
và e+
cùng
hướng). Thời gian sống trong chân không tương ứng của chúng là 0,125 ns và 140 ns.
Tiết diện hủy và thực tế diễn biến của sự hủy cũng tùy thuộc sự định hướng spin lẫn
nhau của các hạt thành phần tham gia sự hủy. Chẳng hạn, pa-ra-pô-si-trô-ni-um chỉ
xảy ra kèm theo sự phát xạ của hai phô-tôn, trong khi or-tho-pô-si-trô-ni-um chỉ xảy
ra kèm theo sự phát xạ ba phô-tôn.
Tiểu mục thứ hai: “Lí thuyết về phương pháp hủy pô-si-trôn”. Có ba phương
pháp thực nghiệm cơ bản được ứng dụng cho sự hủy pô-si-trôn, đó là phương pháp đo
thời gian sống của pô-si-trôn; phương pháp đo góc tương quan; phương pháp đo độ
dãn nở Đôp-le. Các phương pháp này về nguyên tắc đều trên cơ sở xác định các thuộc
tính của các gam-ma phát ra trong quá trình hủy của pô-si-trôn với ê-lec-trôn. Pô-si-
trôn và bức xạ gam-ma sơ cấp 1,27 MeV được sinh ra gần như cùng lúc (khoảng thời
gian cách nhau chỉ cỡ 10-11
s). Do đó, khoảng thời gian giữa thời điểm gam-ma 1,27
MeV phát ra (thời điểm pô-si-trôn đi vào môi trường) và thời điểm một trong hai gam-
ma năng lượng 0,51 MeV sinh ra từ sự hủy pô-si-trôn (thời điểm pô-si-trôn biến mất)
chính là thời gian sống của pô-si-trôn. Như vậy, phương pháp đo sự chênh lệch của
tốc độ đếm lượng tử có năng lượng 1.27 MeV (bắt đầu đếm) và lượng tử có năng
lượng 0,51 MeV (kết thúc) gọi là phương pháp đo thời gian sống của pô-si-trôn. Nếu
khối tâm của hệ e+
-e-
đứng yên, thì hai gam-ma hủy phát ra ngược chiều nhau (góc
giữa hai hướng phát ra là 1800
) và mỗi gam-ma có năng lượng khoảng 0,51 MeV.
Nhưng thực tế khối tâm của hệ e+
-e-
không đứng yên, do đó góc giữa hai hướng bay

16. của hai gam-ma khác 1800
một góc (trong hệ quy chiếu gắn với phòng thí nghiệm)
và năng lượng của gam-ma hủy cũng khác 0,51MeV một giá trị . Phương pháp đo
góc gọi là phương pháp đo góc tương quan và phương pháp đo gọi là phương
pháp đo độ dãn nở Đôp-le. Với phạm vi nghiên cứu của đề tài, tác giả chỉ trình bày cụ
thể về phương pháp đo thời gian sống của pô-si-trôn và phương pháp đo độ dãn nở
Đôp-le. Đối với mỗi phương pháp, nguyên tắc thiết lập hệ đo; xử lí số liệu; ưu điểm
và hạn chế đã được giới thiệu.
Tiểu mục thứ ba: “Giới thiệu về phần mềm phân tích phổ LT”. Trong phần này,
tác giả trình bày: giới thiệu chung về phần mền LT v9; định nghĩa các số hạng chính
được sử dụng; mô hình lí thuyết.
Chương 3: “Ứng dụng phương pháp hủy pô-si-trôn để nghiên cứu ảnh
hưởng của sắt trong cấu trúc vật liệu SBA-15”. Đây là phần ứng dụng của đề tài,
cũng gồm 3 tiểu mục chính: đối tượng nghiên cứu; thiết lập hệ đo; kết quả đo và thảo
luận. Đối tượng được chọn để khảo sát là vật liệu zê-ô-lit loại SBA-15 và Fe-SBA-15.
Ngoài những thông tin khái quát về cấu trúc lỗ rỗng và phương thức tổng hợp, tác giả
còn giới thiệu về những nét riêng của sự hủy pô-si-trôn trong vật liệu xốp trung bình
SBA-15, đó là các thời gian sống của pô-si-trôn kéo dài từ 0,1 ns đến 135 ns. Thêm
vào đó, một phân tích dữ liệu thời gian sống đòi hỏi ít nhất bốn thành, được phân loại
một cách gần đúng như sau: các thành phần sống ngắn nhất (<0,5 ns) thể hiện sự hủy
của p-Ps và các pô-si-trôn tự do, từ 2-4 ns có thể do o-Ps bị bẫy trong các lỗ nhỏ của
mạng lưới, 10-70 ns đối với các o-Ps bị hủy ở các lỗ lớn hơn (kênh) bên trong và 100-
135 ns cho o-Ps ở bên ngoài của tinh thể zê-ô-lit. Các kết quả đo thời gian sống và độ
dãn nở Đôp-le nhằm đánh giá ảnh hưởng của sắt trong cấu trúc vật liệu zê-ô-lit SBA-
15 đã được trình bày trong phần “Kết quả đo và thảo luận”. Kết quả cho thấy sự hiện
diện của i-ôn sắt có thể làm dập tắt hoặc kiềm chế sự tạo thành và hủy or-tho-pô-si-
trô-ni-um trong cấu trúc Fe-SBA-15. Ngoài ra, các phương pháp phổ kế hủy pô-si-trôn
tỏ ra hữu hiệu trong việc phân tích cấu trúc và thành phần của các nguyên tố trong
nghiên cứu vật liệu zê-ô-lit. Các kết quả phân tích thời gian sống đã cho thấy ảnh
hưởng làm giảm mật độ lỗ trung bình khi chèn nguyên tố sắt vào cấu trúc zê-ô-lit

17. SBA-15 thông qua sự giảm đáng kể thời gian sống và cường độ của thành phần sống
dài nhất. Các kết quả phân tích độ dãn nở Đôp-le cho thấy ảnh hưởng của nguyên tố
sắt làm giảm tham số S do lớp vỏ điện tử 3d chưa đầy của sắt gây ra. Cuối cùng là một
số đề xuất cho hướng nghiên cứu phát triển đề tài, đó là để đánh giá chính xác hơn ảnh
hưởng của sắt đến cấu trúc SBA-15, cần thiết phải đánh giá ảnh hưởng của các chất bị
hấp phụ khác trong zê-ô-lit, chẳng hạn như ô-xi, ni-tơ, nước bởi vì các nghiên cứu về
cấu trúc zê-ô-lit đã chỉ ra ô-xi, ni-tơ, nước không chỉ ảnh hưởng đến thành phần o-Ps,
mà còn làm thay đổi sự phân bố 2 /3γ γ . Hơn thế nữa, phương pháp phổ kế hủy pô-si-
trôn cần được kết hợp với hiệu ứng Mô-bau-e (Mossbauer) (ME-Mossbauer-effect), từ
đó có thể xác định kiểu vị trí của sắt trong cấu trúc Fe-SBA-15.
Trong quá trình tìm hiểu và trình bày luân vặn, vì còn hạn chế về kiến thức, nên
chắc chắn không tránh khỏi sai sót. Kính mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô
và bạn đọc. Tôi xin chân thành cảm ơn.
Tác giả

18. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZÊ-Ô-LIT
1.1. Thành phần hóa học, đặc tính và cấu trúc zê-ô-lit
1.1.1. Thành phần hóa học và đặc tính
Vật liệu zê-ô-lit (zeolite) được khám phá đầu tiên bởi nhà khoáng vật học Thụy
Điển A-xeo Fre-dic Crôn-tet vào năm 1756. Thuật ngữ “zeolite” được dùng dựa trên
từ Hi Lạp “zein” (nghĩa là “sôi”) và “lithos” (nghĩa là “đá”) bởi vì zê-ô-lit giải phóng
hơi nước khi đun nóng.
Zê-ô-lit phổ biến nhất là vật liệu khoáng vô cơ chứa những tinh thể a-lu-mi-nô-
si-li-cat (aluminosilicate) ngậm nước và chứa các ca-ti-ôn (cation) nhóm 1 hay nhóm
2 của bảng hệ thống tuần hoàn. Công thức tổng quát được biểu diễn:
OyHxSiOOAlOM
n
22322 ...
Trong đó: n là hóa trị của ca-ti-ôn; x là tỉ số mol 2
2 3
SiO
Al O
; y là số mol H2O; M là kim
loại hóa trị 1 hay 2.
Chẳng hạn, xét mẫu zê-ô-lit NaX có công thức sau: 2 2 3 2 2. .2 .Na O Al O SiO yH O
Cấu trúc khung của zê-ô-lit được tạo thành từ 4 liên kết của các nguyên tử si-lic
(Si) và nhôm (Al) với nguyên tử ô-xi (O), làm nên một khối tứ diện AlO4 và SiO4.
Trong đó, một nguyên tử Si (hoặc Al) ở giữa và các nguyên tử O ở các góc. Kích
thước nguyên tử O bằng 1.32A0
, tức lớn hơn kích thước của Si (0.39A0
) và Al
(0.57A0
), nên khi tạo thành các tứ diện của Si và Al thì O luôn trùm lên các i-ôn (ion)
này. Các khối tứ diện góp chung các góc hoặc các cạnh, vì vậy số lượng nguyên tử O
gấp đôi tổng số lượng nguyên tử Si và Al.
Zê-ô-lit có cấu trúc tinh thể, được tạo thành từ sự phân bố theo không gian của
các khối đơn vị cơ sở (unit cell). Các khối cơ sở còn được biểu diễn bởi công thức:
/ 2( ) 2[ ]x x
x n x y x yM Al Si O zH O+ −
+

19. Tỉ số Si/Al của mỗi khối cơ sở có thể thay đổi trong một giới hạn nào đó mà
vẫn không ảnh hưởng tới cấu trúc tinh thể, bởi vì bán kính i-ôn của Si và Al khác nhau
rất ít; tuy nhiên tổng số các nguyên tỉ Si và Al vẫn giữ nguyên.
Theo quy tắc Lô-uyên-ten (Loweinstein): Trong cấu trúc mạng a-lu-mi-nô-si-li-
cat, 2 nguyên tử Al không thể có chung một O, nghĩa là cấu trúc zê-ô-lit không thể tồn
tại các liên kết Al-O-Al mà chỉ có các liên kết Si-O-Al hay Si-O-Si. Do đó luôn có tỉ
lệ Si/Al ≥1.
Vì Si có hóa trị 4 nên tứ diện SiO4 trung hòa điện, nhưng Al có hóa trị 3 nên tứ
diện AlO4 có điện tích âm. Các điện tích âm được cân bằng điện bởi một số lượng
thích hợp các ca-ti-ôn, phổ biến là các i-ôn kim loại kiềm hoặc kiềm thổ (Na+
, K+
,
Ca2+
, Mg2+
…), hoặc các i-ôn a-mô-ni (amonium) bậc bốn. Các ca-ti-ôn này có độ linh
động rất cao nên dễ dàng trao đổi với các i-ôn khác trong dung dịch mà zê-ô-lit tiếp
xúc.
Tỉ số Si/Al ảnh hưởng đủ lớn đến đặc tính của zê-ô-lit, có thể thay đổi từ
/ 1Si Al = (zê-ô-lit loại X) đến /Si Al → ∞ (zê-ô-lit loại Si-li-ca-lit). Thành phần Al
trong cấu trúc quyết định số lượng các ca-ti-ôn trong cấu trúc, cũng như các đặc điểm
về độ bền nhiệt và hóa học hay sự phân cực của các bề mặt nội. Thông thường, zê-ô-
lit có hàm lượng Al cao (zê-ô-lit loại X) kém bền với nhiệt và kém bền về mặt hóa
tính, vì vậy sự khử nước ở nhiệt độ cao có thể gây ra sự khử Al một phần (bởi nước bị
hấp thụ) và sự giảm độ kết tinh. Hệ quả dán tiếp, việc tăng nồng độ Al làm giảm độ a-
xit của zê-ô-lit. Thành phần Al còn quy định sự phân cực của các lỗ ở bên trong, do đó
ảnh hưởng đến mật độ các ca-ti-ôn trong các lỗ rỗng nhỏ (micropores) và ảnh hưởng
mật độ các ê-lec-trôn (electron) của các nguyên tử O.
Vì khả năng hút nước của zê-ô-lit có liên quan đến sự phân cực của các lỗ rỗng,
nên zê-ô-lit không chứa Al thì kị nước. Lượng nước được hấp thụ tăng theo sự tăng
của thành phần Al. Nước có thể đươc thay thế bởi các phân tử khác (guest molecules).
Ngoài họ a-lu-mi-nô-si-li-cat, một họ zê-ô-lit mới, a-lu-mi-nô-phôt-phat
(aluminophotphate)(AlPO), được cấu tạo từ các tứ diện AlO4
-
và PO4
+
theo tỷ lệ 1:1.
Các biến tướng của AlPO là SAPO và MeAPO khi được đưa vào một số nguyên tố
khác như Co, Mn, Fe, Ga.

20. 1.1.2. Cấu trúc khung của zê-ô-lit
1.1.2.1. Các đơn vị cấu trúc trong tinh thể zê-ô-lit
Các vật liệu zê-ô-lit được đặc trưng bởi các kênh và lỗ rỗng phân bố theo nhiều
chiều trong không gian. Các kênh và lỗ rỗng của zê-ô-lit có kích thước thay đổi trong
một phạm vị hẹp bởi vì chúng có cấu trúc tinh thể.
Đơn vị cấu trúc sơ cấp (primary building unit): là các tứ diện nhôm ô-xi AlO4
và si-lic ô-xi SiO4 (hay gọi tắt là tứ diện TO4), giống nhau với mọi loại zê-ô-lit.
Hình 1.1: Đơn vị cấu trúc sơ cấp
Đơn vị cấu trúc thứ cấp (secondary building unit, thường viết tắt là SBU): gồm
các đơn vị cấu trúc sơ cấp kết nối lại với nhau. Việc lắp ghép khác nhau sẽ tạo thành
các đơn vị cấu trúc thứ cấp khác nhau, điều này bước đầu cho thấy sự khác nhau về
cấu trúc của từng loại zê-ô-lit.
( 0
1,61Si Od A− = , 0
1,75Al Od A− = , 0
2,629O Od A− = , 0
3,07Si Sid A− = ).
Hình 1.2: Đơn vị cấu trúc thứ cấp SBU: vòng n gồm n đơn vị cấu trúc sơ cấp
ghép lại (n=4, 6, 8, 5)

21. Sự đa dạng về cấu trúc của zê-ô-lit phụ thuộc phần lớn vào cách thức các SBU
liên kết để tạo thành các khối đa diện khác nhau. Các khối đa diện này tiếp tục ghép
với nhau theo nhiều cách khác nhau, hình thành mạng lưới gồm các kênh và lỗ rỗng.
Dưới đây là hình vẽ minh họa cách xây dựng một loại cấu trúc đa diện phổ biến dạng
hình học lập phương bát diện, sô-đa-lit (sodalite).
Hình 1.3: Cấu trúc sô-đa-lit
Mỗi đơn vị sô-đa-lit có 24 nguyên tử Al và Si, 48 nguyên tử O. Đơn vị sô-đa-lit có
đường kính 6,6 0
A , thể tích khoảng trống bên trong là 150 A3
, gồm tám mặt 6 cạnh và
sáu mặt 4 cạnh, 24 đỉnh và 36 cạnh. Các đơn vị cấu trúc sô-đa-lit này lại kết nối với
nhau theo các cách khác nhau thông qua các lăng trụ, tạo thành khoang rỗng to, nhỏ
khác nhau, nhờ vậy mà zê-ô-lit có cấu trúc xốp. Hình 1.4 mô phỏng cấu trúc của zê-ô-
lit loại A và zê-ô-lit loại X được tạo ra từ hai cách ghép sô-đa-lit khác nhau, dẫn đến
sự khác nhau về kích thước lỗ rỗng của chúng (3,5-4,5 A0
và 6-8 A0
tương ứng).
Hình 1.4: Mô hình zê-ô-lit. a). Mô hình zê-ô-lit loại A: các sô-đa-lit được nối với
nhau qua mặt 4 cạnh; b). Mô hình zê-ô-lit loại X : các sô-đa-lit được nối với nhau
qua mặt 6 cạnh.

22. Sự khác nhau cơ bản giữa zê-ô-lit A và zê-ô-lit X/Y ở chỗ, do cấu trúc zê-ô-lit A được
hình thành bằng cách ghép nối các sô-đa-lit thông qua lăng trụ 4 cạnh cho nên lỗ rỗng
lớn là vòng ô-xi 8 cạnh. Đối với zê-ô-lit X/Y, lỗ rỗng lớn là vòng oxi 12 cạnh vì các
sô-đa-lit nối với nhau thông qua lăng trụ 6 cạnh.
1.1.2.2. Sự phân bố của các ca-ti-ôn bù trừ và các phân tử khác trong cấu trúc của zê-
ô-lit
Cấu trúc zê-ô-lit không chỉ được quy định bởi các kiểu cấu trúc, mà còn cả sự
phân bố của các ca-ti-ôn bù trừ điện tích (Na+
, K+
, Ca+
, Ag+
, Zn2+
, Ga3+
,…) và các
phân tử (H2O, CO, NH3,…) ở các vị trí bên trong các lỗ rỗng hoặc kênh (extra-
framework sites – EFW). Hình 1.5 biểu diễn phân tử CO bị hút bởi Al3+
ở vị trí EFW.
Hình 1.5: Hình vẽ minh họa vị trí EFW của ca-ti-ôn Al3+
(EFAl)
Sự phân bố của các ca-ti-ôn (hay phân tử) ở các vị trí EFW khác nhau tùy thuộc
vào từng loại ca-ti-ôn (hay phân tử); tỉ lệ các thành phần Si/Al và cả điều kiện tổng
hợp zê-ô-lit. Các vị trí EFW khác nhau được phân loại theo sự định xứ của các ca-ti-
ôn (hay phân tử) trong các vòng thứ cấp giới hạn các lỗ rỗng hoặc các kênh trong cấu
trúc (số cạnh của vòng thứ cấp bằng số lượng các tứ diện sơ cấp TO4), và được kí hiệu
bằng các chứ số La Mã [39].
Loại I: ở tâm của lăng trụ 6 cạnh (hai đáy là hai đa giác lồi 6 cạnh)
Loại II: vị trí vòng 6 cạnh đơn
Loại III: vị trí vòng 8 cạnh đơn

23. Loại IV: Tất cả các vị trí khác trong khung của ô-xi
Loại V: Tất cả vị trí không trong khung của ô-xi
Hình 1.6: Hình mô tả ba loại vị trí EFW (I, II, III) trong cấu trúc khung của zê-ô-
lit loại X.
Hình 1.7: Hình minh họa các vị trí EFW trong cấu trúc zê-ô-lit Da-chi-a-đit
(Dachiardite). Hình tròn nhỏ nhất là Si/Al, hình tròn lớn nhất là O, hình tròn A
là (Na/K/Mg/Ca) ở EFW loại I, hình tròn B, C, D là H2O ở EFW loại IV[39].
Vị trí EFW của các ca-ti-ôn và phân tử ảnh hưởng đến khả năng trao đổi ca-ti-ôn
và tính chất xác tác của zê-ô-lit.
Kích thước lỗ rỗng cũng phụ thuộc vào vị trí và kích thước của các ca-ti-ôn bù
trừ điện tích (các ca-ti-ôn này mang điện dương và cân bằng với điện tích âm của
AlO4
-
, dẫn đến hình thành một trường tĩnh điện mạnh ở bề mặt bên trong). Các ca-ti-
ôn này có thể bị chuyển đổi để tinh chỉnh kích thước của các lỗ rỗng. Ví dụ, hình dạng
của zê-ô-lit A chứa na-tri (Na) có độ mở lỗ rỗng khoảng 4A0
, gọi là rây phân tử 4A.

24. Nếu Na bị đổi bởi i-ôn lớn hơn ka-li (K), độ mở của lỗ rỗng giảm còn khoảng 3A0
(rây
phân tử 3A). Đối với chuyển đổi của can-xi (Ca), một i-ôn Ca thay thế cho hai i-ôn
Na. Vì vậy, độ mở của lỗ trống tăng lên đến khoảng 5A0
(rây phân tử 5A).
1.2. Phân loại zê-ô-lit.
Dựa vào nhiều tiêu chí khác nhau mà người ta chia ra các loại zê-ô-lit tương ứng.
1.2.1. Phân loại theo nguồn gốc
Zê-ô-lit tự nhiên: Có hơn 40 loại. Được hình thành do phản ứng giữa các khoáng
si-li-cat trong núi lửa và các lớp tro với nước ngầm. Có độ tinh khiết không cao do
nhiễm các kim loại và các khoáng khác. Một số loại zê-ô-lit tự nhiên phổ biến là: Cha-
ba-zit (Chabazite), A-nan-xim (Anancime), Cli-nôp-ti-lô-lit (Clinoptilolite), Phê-ri-ê-
rit (Ferrierite), Ê-ri-ô-nit (Erionite), He-u-lan-dit (Heulandite), Lau-môn-tit
(Laumontite), Mô-đê-nit (Modenite), Phi-lip-sit (Philipsite).
Zê-ô-lit nhân tạo: Có khoảng 200 loại. Zê-ô-lit nhân tạo có nhiều tính chất ưu việt
hơn: đồng nhất về thành phần, độ tinh khiết cao, độ bền cơ học cao. Các loại zê-ô-lit
nhân tạo phổ biến nhất là zê-ô-lit A, X, Y, ZMS-5.
1.2.2. Phân loại theo kích thước lỗ rỗng
Lỗ rỗng được hình thành nhờ vào sự sắp xếp tuần hoàn của O xen kẽ với Si hoặc
Al, và có đường kính được xác định dựa vào số lượng của chúng. Lỗ rỗng càng lớn thì
càng có khả năng chứa các phân tử lớn. Một số zê-ô-lit phân loại theo kích thước lỗ
rỗng được trình bày ở bảng 1.1.

25. Bảng 1.1: Phân loại zê-ô-lit theo kích thước lỗ rỗng
Loại Zê-
ô-lit có lỗ
rỗng
Đường
kính lỗ (A0
)
Số ô-xi
của lỗ rỗng Ví dụ
Các phân tử
chứa trong cấu
trúc
nhỏ 3-5 8 E-ri-o-nit O2, H2O
trung
bình
5-6 10
ZSM-5 C6H6, C6H5X
lớn 6-9
12
18
, ,Yβ Ω
UTD-1, VPI-5
rất lớn >20
MCM-41, vật
liệu xốp trung bình
(SBA, M41S)
Các phân tử
lớn hơn
1.2.3. Phân loại theo chiều trong không gian của các lỗ bên trong cấu trúc
Những đặc điểm về sự phân bố theo chiều trong không gian của các lỗ rỗng có
ảnh hưởng lớn đến sự “xác nhập” của các ca-ti-ôn và phân tử khác. Do đó, zê-ô-lit
còn được chia ra theo các loại có cấu trúc lỗ 1 chiều, 2 chiều, 3 chiều.
Hình 1.8: Ví dụ minh họa ba kiểu phân bố trong không gian của lỗ rỗng
Phau-da-sit (Faujasite) X, Y là loại zê-ô-lit ba chiều tiêu biểu, với khoảng không bên
trong chứa các khung gần như hình cầu (lỗ siêu lớn) đường kính 14A0
được nối liền
với nhau bởi bốn lỗ hổng nhỏ hơn, đường kính 7,4A0
. ZSM-5 là loại zê-ô-lit phân bố
hai chiều; cấu trúc được tạo thành từ hai hệ kênh hình ô-van, một thẳng 0
(5,2 5,7 )A× ,

26. và một hình sin 0
(5,3 5,6 )A× , giao nhau theo các góc vuông. Mô-đê-nit có thể được
xem như zê-ô-lit phân bố theo một chiều, các kênh của nó (vòng gồm 12 O) thì song
song và được sắp xếp giống như một tổ ong.
Sự phân bố theo không gian của lỗ rỗng còn quyết định khả năng khuếch tán của
các ca-ti-ôn hay phân tử ở bên trong nó, điều khiển khả năng hấp thu tối đa đạt được.
Zê-ô-lit với cấu trúc phân bố ba chiều cho phép khuếch tán dễ dàng, trong khi đó zê-ô-
lit phân bố một chiều lại hạn chế khuếch tán.
1.2.4. Phân loại theo thành phần hóa học
Phân loại zê-ô-lit a-lu-mi-nô-si-li-cat theo thành phần Si/Al
Zê-ô-lit giàu Al:
Zê-ô-lit kiểu A: có tỉ lệ Si/Al=1, tồn tại dưới 3 dạng:
Loại 3A: có đường kính lỗ rỗng bằng 3A0
và ca-ti-ôn bù trừ là K+
.
Loại 4A: có đường kính lỗ rỗng bằng 4A0
và ca-ti-ôn bù trừ là Na+
.
Loại 5A: có đường kính lỗ rỗng bằng 5A0
và ca-ti-ôn bù trừ là Ca2+
.
Zê-ô-lit kiểu X (thuộc họ Phau-da-sit): có tỉ lệ Si/Al .
Zê-ô-lit có hàm lượng Si trung bình: Có tỉ lệ Si/Al > 1,2.
Zê-ô-lit kiểu Y (thuộc họ Phau-da-sit), Si/Al
Zê-ô-lit Mô-đê-nit, Si/Al=5.
Zê-ô-lit Ê-ri-ô-nit, Si/Al=2,85.
Zê-ô-lit Cha-ba-zit, Si/Al=2,15.
Zê-ô-lit giàu Si:
Zê-ô-lit giàu Si: Các zê-ô-lit thuộc họ ZSM được phát hiện bởi hãng Mô-biu Ôi
(Mobil Oil), có tỷ lệ Si/Al từ 10 . Ngoài ra còn có nhiều zê-ô-lit tổng hợp khác
có tỉ lệ Si/Al cao được tổng hợp nhờ sự có mặt của các tác nhân định hướng cấu trúc,
thường là họ a-min bậc 4: R4N+
.
Một số họ zê-ô-lit khác

27. Họ zê-ô-lit a-lu-mi-nô-phôt-phat (AlPO): Đây là một họ chất rắn mới, có cấu
trúc tinh thể tương tự zê-ô-lit a-lu-mi-nô-si-li-cat nhưng trên cơ sở các nguyên tố là Al
và P (phôt-pho). Zê-ô-lit AlPO không được cấu tạo từ các tứ diện SiO4 và AlO4
-
mà từ
các tứ diện AlO4
-
và PO4
+
theo tỷ lệ 1:1 nên trung hòa về điện tích. Về cấu trúc, trong
họ này có loại AlPO-5 có cấu trúc hình học tương tự họ Phau-da-sit và loại AlPO-11
có cấu trúc hình học tương tự zê-ô-lit ZSM-5. Đặc trưng cơ bản của AlPO là đều có tỷ
lệ / 1Al P = , không có các ca-ti-ôn bù trừ điện tích nên không có khả năng trao đổi ca-
ti-ôn và vì vậy không có tính xúc tác. Các biến tướng của AlPO là SAPO và MeAPO.
SAPO: khi đưa vào AlPO một lượng nhỏ Si để thay thế P thì vật liệu thu được gọi
là SAPO với khung điện tích âm và do đó có khả năng trao đổi ca-ti-ôn.
MeAPO: nếu đưa các nguyên tố khác như Co, Mn, Fe, V, Ga... vào SAPO thì
nhận được họ rây phân tử mới, ký hiệu là MeAPO, kèm theo đó là sự thay đổi tính
chất a-xit – ba-zơ, ô-xi hóa khử của vật liệu. Về cấu trúc hình học các vật liệu Co-
APO, Mn-APO, V-APO có cấu trúc tương tự AlPO5, AlPO11, AlPO17, AlPO31.
1.3. Tính chất cơ bản của zê-ô-lit và một số ứng dụng
1.3.1. Tính chất trao đổi ca-ti-ôn
Khả năng trao đổi ca-ti-ôn là một trong những tính chất nổi bật của các loại zê-ô-lit
có ca-ti-ôn bù trừ điện tích (tức là có Al), bởi vì các ca-ti-ôn này rất linh động và dễ
dàng trao đổi với các ca-ti-ôn khác trong dung dịch mà zê-ô-lit tiếp xúc.
Do các ca-ti-ôn có kích thước và điện tích khác nhau, nên khi quá trình trao đổi ca-
ti-ôn xảy ra, kích thước các lỗ trong khung zê-ô-lit thay đổi, tuy nhiên các thông số
mạng của cấu trúc thì không đổi. Đây là đặc tính quý báu mà nhựa trao đổi i-ôn hoặc
các chất trao đổi i-ôn vô cơ khác không có được.
Tốc độ trao đổi ca-ti-ôn phụ thuộc váo các yếu tố sau:
o Bản chất của dung môi hòa tan (nước hay hợp chất hữu cơ)
o Nồng độ ca-ti-ôn trong dung dịch, nhiệt độ môi trường phản ứng
o Kích thước, điện tích của các ca-ti-ôn trao đổi

28. o Tỉ lệ Si/Al của zê-ô-lit: tỉ lệ này càng bé (tức là càng giàu Al) thì hiệu suất trao
đổi ca-ti-ôn càng lớn.
o Kích thước lỗ rỗng, trạng thái xốp của zê-ô-lit. Kích thước lỗ càng lớn và kích
thước ca-ti-ôn càng nhỏ thì tốc độ trao đổi càng lớn.
o Vị trí EFW của các ca-ti-ôn trong zê-ô-lit: các ca-ti-ôn ở vị trí I khó trao đổi
nhất
Một số ứng dụng
Trong sản xuất chất giặt rửa: Zê-ô-lit được sử dụng để loại bỏ các ca-ti-ôn
Ca2+
và Mg2+
ra khỏi dung dịch nước cứng và thay thế chúng bằng i-ôn mềm như Na+
.
Người ta thường dùng loại zê-ô-lit A vì nó có hàm lượng i-ôn Na+
cao nhất nên khả
năng trao đổi với Ca2+
và Mg2+
là lớn nhất.
Loại trừ amoniac khỏi nước thải: Zê-ô-lit Cli-nôp-ti-lô-lit có khả năng nhận
i-ôn a-mô-ni cao, do đó loại bỏ được các i-ôn này ra khỏi nước thải.
1.3.2. Tính hấp phụ có chọn lọc nước và các chất phân cực
Sự phân cực cao của bề mặt bên trong các lỗ rỗng tạo lực đủ mạnh nên zê-ô-lit
hút nước và các chất phân cực, gọi là sự hấp phụ. Đặc điểm này làm nổi bật zê-ô-lit so
với các vật liệu có khả năng hấp phụ thương mại khác ở chỗ zê-ô-lite có khả năng hấp
phụ một dung lượng cực lớn nước và các chất phân cực khác, thậm chí với mật độ rất
thấp.
Kích thước lỗ rỗng và các kênh đóng một vai trò quan trọng đáng kể, cho phép
hay ngăn cấm các phần tử tràn vào hệ lỗ rỗng và kênh này. Vì vậy, zê-ô-lit được xem
như một loại ‘rây phân tử’.

29. Hình 1.9: Mô hình zê-ô-lit hấp phụ chất phân cực.
Sự hấp phụ trên các rây phân tử phụ thuộc vào các đặc điểm phân tử sau:
o Kích thước và hình dạng: các phân tử lớn hơn độ mở lỗ rỗng của phân tử rây
thì không bị hấp phụ, các phân tử nhỏ hơn hoặc vừa thì có thể bị hấp phụ.
o Phân tử phân cực: các phân tử phân cực có thể bị ưu tiên hấp phụ hơn so với
nước khi ở cùng điều kiện.
Khả năng hấp phụ dung lượng nước lớn với mật độ nước thấp cho phép làm khô
những bộ phận rất ít nước. Vì rây phân tử zê-ô-lit có thể giữ lại lượng lớn nước dù ở
nhiệt độ cao, nó là vật liệu hấp phụ tối ưu ở nhiệt độ tương đối cao.
Quá trình hấp phụ hoàn toàn có thể đảo ngược mà vẫn giữ nguyên bản chất vật lí
ban đầu. Cấu trúc của zê-ô-lit vẫn giữ nguyên trong suốt quá trình hấp phụ (và cả sau
đó), tránh được hiệu ứng phân rã khi dùng các chất làm khô khác (chẳng hạn hợp chất
Ca).
Một số ứng dụng
Khử mùi, xử lí ô nhiễm môi trường: Zê-ô-lit có thể hấp phụ rất nhiều chất khí gây
mùi như : CO, CO2, SO2, H2S, NH3, HCHO, CH3OH,…, nên làm cho không khí
trong lành.
Sản xuất ô-xi cho bệnh viện từ không khí: Zê-ô-lit lại hấp thụ mạnh N2 hơn O2. Vì
thế khi cho dòng không khí (O2 chiếm 21% và N2 chiếm 79%) qua lớp zê-ô-lit thì N2
và các tạp chất khác cùng lượng ẩm sẽ bị hấp thụ, thu được một dòng khí giàu ô-xi.
Làm chất mang các dược phẩm: Zê-ô-lit có thể làm chất mang một số loại thuốc
thích hợp, giải phóng thuốc chậm, do đó giúp kéo dài tác dụng của thuốc.
1.3.3. Tính a-xit bề mặt, hoạt tính xúc tác
1.3.3.1. Tính a-xit bề mặt của zê-ô-lit
Các ca-ti-ôn có vài trò rất lớn trong hoạt tính xúc tác của zê-ô-lit. Nếu zê-ô-lit chỉ
chứa các ca-ti-ôn 1+
(chủ yếu là Na+
) thì mạng tinh thể trung hòa điện và bề mặt của
nó không có tính a-xit; tính a-xit xuất hiện khi một phần hoặc toàn bộ ca-ti-ôn Na+
được thay thế bằng prô-tôn (proton) H+
hoặc các ca-ti-ôn đa hóa trị. Như vậy, bằng

30. việc thay đổi độ trao đổi ca-ti-ôn, người ta dễ dàng làm thay đổi các tính chất của zê-
ô-lit, đặc biệt là tính a-xit và hệ quả của nó là hoạt tính xúc tác.
Cấu trúc zê-ô-lit loại a-lu-mi-nô-si-li-cat hình thành các tâm a-xit Brôn-tet
(Bronsted) (còn gọi là a-xit prô-tôn) và a-xit Lê-it (Lewis) (còn gọi là a-xit a-prô-tôn
(aproton)) khi trao đổi ca-ti-ôn kiềm (Na+
) để lấy ca-ti-ôn H+
. Quá trình trao đổi ca-ti-
ôn này được minh họa theo hình 1.10.
Hình 1.10: Sơ đồ minh họa quá trình trao đổi ca-ti-ôn Na+
lấy ca-ti-ôn H+
Vì liên kết Al-O dài hơn liên kết Si-O, nên dễ dàng bị đứt hơn, hình thành nhóm hy-
đrô-xin (hydroxyl)–OH gắn với nguyên tử Si. Đây chính là tâm a-xit Brôn-tet.
Hình 1.11: Hình vẽ minh họa tâm a-xit Brôn-tet của zê-ô-lit
Ở hình 1.11, nguyên tử Al chính là tâm Lê-it. Tuy nhiên tâm này thực tế bị tâm Brôn-
tet che chắn cho nên khó thể hiện hoạt tính của mình. Khi tăng nhiệt độ, quá trình đe-
hy-đrô-xin xảy ra, có khả năng hơn cả là giữa hai nhóm OH gần nhau, các tâm Brôn-

31. tet bị mất nước và chuyển thành tâm Lê-it là những i-ôn Al có khả năng nhận điện tử.
Sơ đồ quá trình de-hy-đrô-xin được minh họa ở hình 1.12
Hình 1.12: Sơ minh họa quá trình de-hy-đrô-xin chuyển tâm a-xit Brôn-tet thành
tâm a-xit Lê-it. Al ở dạng cuối cùng này thể hiện đầy đủ tính chất của một a-xit
Lê-it.
1.3.3.2. Hoạt tính xúc tác của zê-ô-lit
Zê-ô-lit có hoạt tính xúc tác tốt nhờ vào các yếu tố:
o Diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao
o Cấu trúc hệ các kênh và lỗ rỗng đồng nhất, tương thích với nhiều loại phân tử
thường gặp trong công nghiệp lọc hóa dầu.
o Tính a-xit bề mặt: sự có mặt của các nhóm hy-đrô-xin a-xit mạnh trên bề mặt
zê-ô-lit dạng H-Z. Các tâm a-xit mạnh đó là nguồn tạo ra các i-ôn cac-bo-ni-um
cho các phản ứng theo cơ chế cac-bo-ca-ti-ôn.
o Sự tồn tại một điện trường tĩnh điện mạnh xung quanh các ca-ti-ôn có thể cảm
ứng khả năng phản ứng của nhiều chất tham gia phản ứng.
o Có độ bền nhiệt và thủy nhiệt cao
o Ngoài ra, zê-ô-lit còn có một tích chất đặc trưng quan trọng, đó là tính chất lựa
chọn hình dạng đối với các phân tử phản ứng, sản phẩm phản ứng và cả trạng

32. thái chuyển tiếp. Do đó, ta có thể định hướng phản ứng theo hướng mong
muốn, tránh được những phản ứng phụ, giảm nhẹ việc tinh chế sản phẩm, giảm
phế thải, nâng cao hiệu quả kinh tế.
Ứng dụng
Làm chất xúc tác: Xúc tác chiếm một vị trí quan trọng trong ngành công
nghiệp hóa dầu. Quá trình crac-kinh (cracking) xúc tác thường dùng loại zê-ô-lit
X, Y có chứa các nguyên tố trong đất hiếm hay ở dạng đã trao đổi i-ôn và được xử lý
bằng các phương pháp đặc biệt kết hợp với các hợp phần làm tăng độ bền cơ, bền
nhiệt, hay điều chỉnh kích thước lỗ xốp. Zê-ô-lit có hoạt tính xúc tác cao nên người ta
thường dùng nó ở dạng hỗn hợp với xúc tác vô định hình hay a-lu-mi-nô-si-li-cat tinh
thể và được gọi là xúc tác chứa zê-ô-lit. Năm 1976 Mô-biu Ôi tạo ra được zê-ô-lit
ZSM-5 có tác dụng chuyển mê-ta-nôn (methanol) thành xăng, một giải pháp cho cuộc
khủng hoảng năng lượng lúc bấy giờ. Năm 1990, chuyển ben-zen (benzen) thành phê-
nôn (phenol) với hệ xúc tác Fe-ZSM-5, Phit-chơ – Trốp (Fischer – Tropsch) đã tạo ra
được xúc tác cho phản ứng tạo an-pha-ô-lê-phin (alpha-olefin).
1.3.4. Tính chất chọn lọc hình dạng
Như đã giới thiệu ở trên, tính chất chọn lọc hình dạng của zê-ô-lit là một trong
những yếu tố làm tăng hoạt tính xúc tác của zê-ô-lit.
Một phản ứng xúc tác trên zê-ô-lit diễn ra như sau: các chất tham gia phản ứng
khuếch tán đến bề mặt của zê-ô-lit; bị hấp phụ vào các kênh và lỗ rỗng và khuếch tán
đến các vùng hoạt động. Tại vùng hoạt động, các hợp chất trung gian của phản ứng
được tổng hợp và thực hiện phản ứng tạo sản phẩm. Các sản phẩm bị khử hấp phụ và
khuếch tán ra ngoài.
Như vậy sự khuếch tán các chất tham gia phản ứng và sản phẩm trong các lỗ và
kênh của zê-ô-lit đóng một vai trò quan trọng trong phản ứng xúc tác, ảnh hưởng đến
tốc độ phản ứng cũng như quy định các chất sản phẩm cuối cùng. Khả năng khuếch
tán các chất tham gia và sản phẩm có liên quan đến kích thước của các kênh và lỗ
rỗng chứa vùng hoạt động cũng như kích thước và hình dáng của phân tử. Chỉ những

33. chất có kích thước phân tử nhỏ hơn hoặc bằng kích thước lỗ hoặc kênh thì mới khuếch
tán vào được và gặp vùng hoạt động. Tính chất này gọi là tính chọn lọc hình dạng.
Có 3 hình thức chọn lọc hình dạng:
o Chọn lọc hình dạng đối với các chất tham gia phản ứng
o Chọn lọc hình dạng đối với sản phẩm phản ứng
o Chọn lọc hình dạng đối với các sản phẩm trung gian
1.4. Tổng hợp zê-ô-lit
Ngày nay, các loại zê-ô-lit tổng hợp được sử dụng phổ biến hơn zê-ô-lit tự nhiên vì
tinh thể có độ tinh khiết hơn và kích thước các kênh và lỗ rỗng đồng bộ hơn. Nhiều
loại zê-ô-lit được nghiên cứu tổng hợp tạo ra sự đa dạng về đặc tính hóa học và kích
thước lỗ rỗng, cũng như độ bền nhiệt.
Thông thường, zê-ô-lit được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, gồm các giai
đoạn chính: chuẩn bị hóa chất và tạo hy-đrô-gen (hydrogel) a-lu-mi-nô-si-li-cat, già
hóa, kết tinh, lọc, rửa, sấy. Dung dịch để tạo gel a-lu-mi-nô-si-li-cat gồm dung dịch a-
lu-mi-nat và si-li-cat (có thể dùng 4 2 3( ) ,NaAl OH Na SiO ) và các hy-drô-xit kiềm
( )NaOH , có thể có thêm các gốc hữu cơ.
Các loại zê-ô-lit khác nhau được tổng hợp tùy thuộc chủ yếu vào các tác nhân sau:
o Thành phần của hỗn hợp phản ứng: tỉ số Si/Al, OH-
, các ca-ti-ôn vô cơ. Thứ
nhất, việc tăng tỉ số Si/Al ảnh hưởng mạnh đến đặc điểm lí tính của zê-ô-lit.
Thứ hai, thành phần OH-
làm giảm thời gian phản ứng bằng cách làm cho Si-lic
chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng nhanh hơn. Thứ ba, các ca-ti-ôn vô cơ đóng
vai trò như các tác nhân định hướng cấu trúc và làm cân bằng điện tích của
khung. Như vậy, thành phần của hỗn hợp phản ứng ảnh hưởng đến cấu trúc
tinh thể và số lượng sản phẩm.
o Bản chất của các chất phản ứng và điều kiện ban đầu của chúng: việc tổng
hợp zê-ô-lit với các chất hữu cơ cũng như các chất vô cơ đã được tiến hành, chỉ
ra rằng các chất vô cơ tạo ra nhiều bề mặt bị hy-đrô-xin hóa hơn, còn các chất
hữu cơ dễ dàng làm xác nhập các kim loại vào trong mạng tinh thể.

34. o Nhiệt độ tổng hợp: tốc độ của quá trình kết tinh tỉ lệ thuận với nhiệt độ (trong
khi đó tốc độ phản ứng trong dung dịch ban đầu tỉ lệ nghịch với nhiệt độ).
o Thời gian tổng hợp: các tham số của quá trình kết tinh phải được điều chỉnh
sao cho làm tối thiểu thời gian cần thiết (để làm tối thiểu các sản phẩm không
mong muốn) để đạt được trạng thái tinh thể mong muốn.
o Độ pH của hỗn hợp phản ứng: quá trình zê-ô-lit hóa được tiến hành trong
điều kiện môi trường ba-zơ kiềm (pH>10).
o Các tác nhân khác: việc tổng hợp có thể được tiến hành theo kiểu liên tục hay
bán liên tục, để tăng cường dung lượng cũng như làm cho tương thích với các
ứng dụng công nghiệp.

35. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP HỦY PÔ-SI-TRÔN
2.1. Sự tạo thành và sự hủy pô-si-trôn
2.1.1. Pô-si-trôn, hạt phản vật chất
Pô-si-trôn (Positron) là một phản hạt của ê-lec-trôn được Đi-rắc mô tả lần đầu
tiên và được An-đê-sân chứng minh sự tồn tại từ những năm 1930. Pô-si-trôn có khối
lượng, spin và momen từ giống như ê-lec-trôn (tức có 31
9,108 10m kg−
= × ,
19
1,6 10q C−
= × , 1
2
s = , mô-men từ cùng hướng spin), nhưng có điện tích trái dấu: pô-
si-trôn mang điện dương còn ê-lec-trôn thì mang điện âm. Cũng giống như ê-lec-trôn,
pô-si-trôn khá bền trong chân không: thời gian sống của pô-si-trôn trong chân không
rất lớn (thời gian sống trung bình là 1021
năm), nhưng trong vật chất thì gần như trái
ngược, thời gian tồn tại của pô-si-trôn rất nhỏ chỉ lớn hơn 10-10
s trước khi xảy ra sự
hủy cặp giữa nó và ê-lec-trôn. Sự tương tác của pô-si-trôn với vật chất cũng có nhiều
nét tương tự như của ê-lec-trôn, chẳng hạn quá trình tán xạ, quá trình nhiệt hóa, quá
trình ngay sau nhiệt hóa và trước khuếch tán.
Tuy nhiên, hạt pô-si-trôn cũng có những nét đặc trưng khác biệt so với hạt ê-lec-
trôn. Không thể nào theo dõi quá trình khuếch tán của một hạt ê-lec-trôn riêng lẻ trong
số rất nhiều các ê-lec-trôn giống hệt nhau trong vật chất. Điều này lại có thể đối với
mỗi pô-si-trôn sau khi nó bị nhiệt hóa và trước khi bị hủy. Tất cả các đặc tính của vật
chất mà ảnh hưởng đến sự khuếch tán của pô-si-trôn, chẳng hạn như các trường lực
bên trong, sự phân bố của các thành phần ngoại lai hay các khuyết tật, sự thay đổi
trong không gian của các thành phần cấu trúc, về nguyên tắc đều có thể được đo đạc.
Ngoài ra, bởi vì tích điện dương, các pô-si-trôn có thể tham gia vào nhiều quá trình
mà ê-lec-trôn không thể. Chúng có thể bị bẫy tại các khuyết tật mạng tích điện dương,
chẳng hạn như các lỗ trống đơn và các khuyết tật lỗ mở nhỏ khác, tại các chỗ ngoại
lai.
Có thể coi pô-si-trôn có ba tương tác chính:
o Tán xạ với hạt mang điện nói chung

36. o Tạo mu-ôn
o Hủy cặp với ê-lec-trôn để tạo ra cặp lượng tử gam-ma
2.1.2. Các nguồn pô-si-trôn
Trong kỹ thuật thực nghiệm pô-si-trôn, nguồn tạo ra pô-si-trôn đóng vai trò
quan trọng. Pô-si-trôn không tồn tại sẵn trong nhân mà sinh ra do sự phân rã hạt nhân
của các đồng vị phóng xạ, từ hiệu ứng tạo cặp đối với các phô-tôn (photon) có năng
lượng đủ lớn hoặc từ các phản ứng hạt nhân.
Nguồn pô-si-trôn từ phân rã hạt nhân:
Hạt nhân A
ZX phân rã β +
tạo ra một pô-si-trôn và một nơ-tri-nô (neutrino) để hình
thành một hạt nhân mới có cùng số khối: 1
A A
Z ZX X β γ+
−→ + +
Nguồn pô-si-trôn thông dụng nhất là nguồn đồng vị 22
Na (có chu kỳ bán rã là
T1/2=2,6 năm) theo phản ứng phân rã :
22
Na  22
Ne + + + (1.28 MeV)
Phân rã từ nguồn đồng vị 22
Na cho xác suất phát ra pô-si-trôn cao 90,4% và nhiều
thuận tiện khác. Trước tiên, sự phát ra lượng tử gam-ma 1,27 MeV gần như đồng thời
với pô-si-trôn (có năng lượng cực đại 540 keV), nhờ vậy có thể đo được thời gian
sống của pô-si-trôn bằng phổ kế gam-ma (gamma) trùng phùng. Hơn nữa, việc tìm
nguồn Na khá dễ dàng từ các dung dịch muối của Natri, chẳng hạn từ Na-tri-clo-rua
hoặc Na-tri-a-xe-tat. Thêm vào đó, chu kỳ bán rã khá dài 2,6 năm, giá cả hợp lí nên
phù hợp với mục đích sử dụng trong phòng thí nghiệm.
Sơ đồ phân rã của đồng vị phóng xạ 22
Na được minh họa ở hình 2.1. Theo đó, 90,4%
các phân rã bằng cách phát ra pô-si-trôn và một ê-lec-trôn nơ-tri-nô của trạng thái kích
thích 22
Ne và trở lại trạng thái cơ bản sau 3,7 ps sau khi phát ra một lượng tử gam-ma
1,274 MeV. Khả năng bẫy ê-lec-trôn (electron capture – EC) chỉ đạt xác xuất 9.5% và
quá trình chuyển trực tiếp về trạng thái cơ bản của Ne chỉ đạt 0,1%.

37. Hình 2.1: Sơ đồ phân rã của đồng vị phóng xạ 22
Na
Ngoài nguồn đồng vị 22
Na, các nguồn đồng vị khác (64
Cu, 58
Co,…) cũng có thể
được sử dụng, nhưng không phổ biến. Các pô-si-trôn được tạo ra từ phản ứng phân rã
có phân bố năng lượng rộng lên đến cỡ 540 keV và có thể xuyên sâu vào trong vật
liệu.
Để đo thời gian sống của pô-si-trôn và độ dãn nở Đôp-le cần nguồn có hoạt độ
yếu (khoảng 8.105
Bq là đủ). Phương pháp chiếu pô-si-trôn và đo góc tương quan cần
nguồn mạnh hơn.
Trong một số trường hợp người ta còn tạo ra nguồn nội, nhất là khi nghiên cứu
về kim loại đồng (Cu) và các hợp kim của nó. Nguồn nội được tạo ra trong Cu bằng
cách bắn nơ-trôn (neutron) vào 63
Cu để tạo ra 64
Cu, sau đó 64
Cu phát pô-si-trôn có
năng lượng cực đại 0,65 MeV với chu kỳ bán rã 12,9 giờ.
Một số nguồn pô-si-trôn và cách tạo ra các nguồn được trình bày trong bảng
2.1.
Bảng 2.1: Một số nguồn pô-si-trôn và cách tạo nguồn
Nguồ
n
Cách tạo Chu kỳ
bán rã
Phần trăm
e+
Emax
(MeV)
22
Na 27
Al (3
He,
2 ) 22
Na
24
Mg (d,
) 22
Na
2,6 năm
---
89
---
0,54
---

38. 11
C 11
B (p, n) 11
C 20,4 phút 99 0,96
18
F 18
O (p,n) 18
F 110 phút 97 0,635
55
Co 58
Ni (p, ) 55
Co 18,2 giờ 60 1,50
57
Ni 56
Fe (3
He,
2n) 57
Ni
36 giờ 50 0,85
58
Co 58
Ni (n,p) 58
Co 71,3 ngày 15 0,48
64
Cu 63
Cu (n, ) 64
Cu 12,9 ngày 19 0,65
90
Nb 90
Zr (p,n) 90
Nb 14,7 ngày 54 1,50
68
Ge 66
Zn ( ,
2n) 68
Ge
270 ngày 15 1,90
44
Sc 45
Sc (n, 2n) 44
Sc 3,93 giờ 95 1,47
Nguồn pô-si-trôn từ phản ứng tạo cặp.
Sự tạo cặp ê-lec-trôn – pô-si-trôn từ các phô-tôn năng lượng cao là một cách khả
thi để tạo ra pô-si-trôn sử dụng trong các hệ chiếu xạ, đặc biệt để nghiên cứu chất bán
dẫn. Đối với nguồn này, khi năng lượng của tia gam-ma tới lơn hơn 1,002 MeV tương
tác với vật chất sẽ sinh ra phản ứng tạo cặp ê-lec-trôn – pô-si-trôn trong điện trường
của hạt nhân. Lúc này, gam-ma lượng tử bị hấp thụ hoàn toàn và truyền hết năng
lượng cho cặp ê-lec-trôn – pô-si-trôn. Gam-ma để tạo cặp ê-lec-trôn – pô-si-trôn phổ
biến là bức xạ Brem-tra-lung (Bremsstrahlung) được sinh ra khi chùm ê-lec-trôn năng
lượng lớn bị hút bởi các hạt nhân tích điện dương.
Ngoài ra, nguồn pô-si-trôn cũng có thể tạo ra từ các phản ứng hạt nhân.
Stein (1974) đã đề xuất cách điều khiển chùm prô-tôn năng lượng cao bắn vào bia
làm từ nguyên tố Bo-ron (Bo) để thu được chùm pô-si-trôn có thông lượng lớn.

39. Một cách tạo pô-si-trôn khác được quan sát trong phản ứng nghiên cứu Mu-nic
(Munich) (Triftshaeuser 1995). Trong phản ứng 113
Cd (n, ) 114
Cd, ba lượng tử với
tổng năng lượng 9,041 MeV được giải phóng và có thể được sử dụng cho phản ứng
tạo cặp. Lợi thế của phương pháp này là tạo ra chùm pô-si-trôn có cường độ cao liên
tục.
2.1.3. Tương tác của pô-si-trôn với vật chất, sự hủy pô-si-trôn
2.1.3.1. Tương tác của pô-si-trôn với vật chất
Khi gặp bề mặt vật chất, tùy thuộc vào năng lượng của pô-si-trôn tới, góc tới và
vật liệu làm bia, pô-si-trôn có thể bị tán xạ trên bề mặt, hoặc đi sâu vào bên trong bia
nhờ hiệu ứng mở kênh. Pô-si-trôn khi vào trong vật chất sẽ nhanh chóng bị mất năng
lượng do quá trình nhiệt hóa, sau đó khuếch tán cho đến khi bị hủy.
Sự tán xạ ngược trên bia
Khi một chùm hạt bắn vào một bia rắn, một số hạt, sau khi va chạm đàn hồi
hoặc không đàn hồi với các nguyên tử của bia, nảy ra khỏi bề mặt. Một số khác xuyên
qua mặt kia của bia, số còn lại bị bẫy ở bên trong bia. Tỉ lệ các hạt bị bẫy, tán xạ
ngược hay truyền qua tùy thuộc vào độ dày của bia. Đối với những bia dày, tỉ lệ các
hạt tán xạ ngược có thể đạt được giá trị bão hòa của nó, thường gọi là hệ số tán xạ. Hệ
số tán xạ này phụ thuộc vào từng loại hạt, năng lượng ban đầu của các hạt, số nguyên
tử (Z) của bia và góc tới của các hạt đến bia.
Khi va chạm với ê-lec-trôn hoặc hạt nhân của nguyên tử, pô-si-trôn bị mất bớt
năng lượng và thay đổi hướng. Tán xạ giữa pô-si-trôn tới với hạt nhân của bia gần như
là tán xạ đàn hồi bởi vì sự chênh lệch lớn về khối lượng giữa chúng. Các tiết diện tán
xạ đàn hồi của pô-si-trôn với các bia làm từ các vật liệu khác nhau đã được tính toán
bởi Mau-ri-zi-ô Đa-pô (Maurizio Dapor) [14], cho thấy tiết diện tán xạ đàn hồi của
pô-si-trôn nhỏ hơn của ê-lec-trôn, và tiết diện tán xạ góc lớn của pô-si-trôn lớn hơn
của ê-lec-trôn. Sự khác biệt này được giải thích là do tương tác giữa hạt nhân bia với
ê-lec-trôn là tương tác hút, còn đối với pô-si-trôn là tương tác đẩy. Các hạt nhân bia có
số nguyên tử càng lớn thì xác xuất tán xạ ngược càng cao. Xác xuất tán xạ đàn hồi và

40. không đàn hồi cũng được tính toán lý thuyết bằng phương pháp mô phỏng Môn-te
Cac-lô (Monte Carlo) bởi Giê-sen (Jesen) [28] và Ô-mut-lu (Ozmutlu) [43]. Trong
công trình nghiên cứu của Mau-ri-zi-ô Đa-pô và An-tô-ni-ô Mi-ô-teo-lô (Antonio
Miotello), số lượng trung bình của các va chạm góc lớn υ của các pô-si-trôn năng
lượng thấp (500 eV < E <5000 eV) tỉ lệ với hệ số tán xạ của pô-si-trôn và được tính
toán gần đúng bởi biểu thức:
2
0 1 2exp( ln ln )E Eυ ξ ξ ξ= + + (2.1)
Trong đó, ( )i i Zξ ξ= , 0,1,2i = ; Z là số nguyên tử của hạt nhân bia; E là năng lượng
của pô-si-trôn tính theo đơn vị eV. Chẳng hạn khi Z=Al (bia làm bằng nhôm), các giá
trị 0 1 2, ,ξ ξ ξ có giá trị lần lượt là -4,4277; 1,0119; -0,0526 [13].
Các phương pháp thực nghiệm pô-si-trôn để nghiên cứu cấu trúc của vật chất
đòi hỏi cần phải giảm sự hủy của pô-si-trôn tán xạ ngược xảy ra bên ngoài mẫu vì sự
hủy này làm sai lệch phổ hủy bên trong. Có thể tránh được điều này nếu sử dụng
buồng đo có độ rộng đủ lớn và che chắn các đầu dò ghi nhận bức xạ hủy, hoặc sử
dụng hệ đo trùng phùng.
Sự mở kênh tương tác
Các hạt khi chuyển động ngang ứng với các góc nhỏ dọc theo một trục tinh thể
đơn sẽ chịu tác dụng bởi một hợp lực tán xạ gây bởi các nguyên tử của tinh thể đó.
Các trường cực mạnh có thể bẫy các hạt này dọc theo một trục hoặc mặt phẳng, gọi là
sự mở kênh (sự xoi rãnh – channeling).

41. Hình 2.2: Nguyên lí của sự mở kênh trong tinh thể. Khi một chùm hạt chạm đến
tinh thể dưới một góc nhỏ theo trục của nó, một hạt sẽ tương tác đồng thời với
nhiều nguyên tử của tinh thể và do đó có thể bị bẫy ở vùng hẹp xung quanh trục
(hay mặt phẳng) gọi là kênh. Số lượng lớn các nguyên tử tinh thể tham gia
(khoảng 1000) sinh ra trường cực lớn. Cường độ điện trường có thể đạt giá trị
E=10 TV/m (Tera-Volt/mét) và từ trường có thể lên đến B=30kT (kilo-Tesla).
Sự mở kênh của pô-si-trôn và ê-lec-trôn là một hiện tượng vật lí lí thú, các hạt
được mở kênh di chuyển nhấp nhô như hình gợn sóng khi đi vào vật liệu (hình 2.2),
nhờ đó sinh ra nhiều bức xạ xoi rãnh. Nếu các hạt được mở kênh có năng lượng lớn
(cỡ 10 GeV) có thể sinh ra bức xạ xoi rãnh có cường độ lớn tương đương cường độ
bức xạ Xin-crô-trôn (Synchrotron).
Sự mở kênh của pô-si-trôn trong các miền năng lượng khác nhau đã được nghiên
cứu từ rất sớm. An-đê-sân (Andersen), Au-gợt-ti-ni-ac (Augustyniak) và U-gơ-hoi
(Uggerhoj) đã tiến hành đo sự tán xạ góc lớn (40
-100
) của các pô-si-trôn 1 MeV trong
vàng (Au), nghiên cứu cấu trúc vật liệu nhờ vào nhiễu xạ Bragg [9]. Nghiên cứu sau
đó của Pê-đê-sân (Pedersen), An-đê-sân và Au-gợt-ti-ni-ac cho thông tin cấu trúc tốt
hơn với chùm pô-si-trôn 1,2 MeV trong Si [44], mặc dù trong tất cả các thí nghiệm
này, việc thiếu nguồn pô-si-trôn có cường độ đủ mạnh dẫn đến một khoảng năng
lượng rộng và do đó tương ứng với một độ phân giải góc kém. Thí nghiệm với pô-si-
trôn 10-50 keV trong Si của Kiu (Schultz) và cộng sự cho hiệu ứng mở kênh, nhưng
không thu được thông tin cấu trúc [47]. Niu-phơ (Neufert), Ki-bồ (Schiebel) và Clau-
nit-dơ (Clausnitzer) thí nghiệm truyền qua MgO và Si với chùm pô-si-trôn và ê-lec-
trôn 5-45 MeV và chỉ quan sát được các sóng nhiễu xạ từ các ê-lec-trôn [41]. Công bố
của Ha-ke-na-sen (Haakenaasen) cùng cộng sự khi nghiên cứu các hiệu ứng mở kênh
lượng tử của pô-si-trôn năng lượng 1 MeV cho rằng khi chùm pô-si-trôn trong miền
năng lượng MeV, cường độ 106
s-1
với một góc mở kênh tới hạn, tốc độ đếm gam-ma
là 1 s-1
có thể đạt được độ dài kênh 1,2 mµ trong tinh thể Au [26].
Sự mở kênh của pô-si-trôn có thể được mô tả khá hoàn chỉnh bằng lí thuyết mở
kênh dựa trên cơ học cổ điển, kể cả đối với sự mở kênh hai chiều (planar channeling)
của cấu trúc dựa vào nhiễu Bragg. Điều này hơi khác với các ê-lec-trôn, lí thuyết cổ
điển chỉ mô tả được sự mở kênh quanh trục (axial channeling) bởi vì ê-lec-trôn tích
điện âm, chúng dễ dàng thâm nhập vào các tâm tán xạ hạt nhân trên các hàng và mặt

42. phẳng, vì thế sự tán xạ diễn ra phức tạp hơn. Các pô-si-trôn được mở kênh tán xạ ít
hơn các ê-lec-trôn.
Sự nhiệt hóa
Khi pô-si-trôn đi vào tinh thể, năng lượng của nó lớn hơn rất nhiều so với năng
lượng khuếch tán nhiệt. Quá trình pô-si-trôn bị mất bớt năng lượng để cân bằng với
năng lượng khuếch tán nhiệt gọi là sự nhiệt hóa (hay làm chậm). Thời gian nhiệt hóa
rất ngắn so với tổng thời gian sống của pô-si-trôn (vài ps). Pô-si-trôn có năng lượng
cao bị mất năng lượng trong quá trình kích thích (có thể i-ôn hóa) các ê-lec-trôn lõi và
ê-lec-trôn hóa trị khi chúng va chạm với các nguyên tử của tinh thể; cho đến khi năng
lượng còn cỡ vài eV thì chủ yếu tán xạ phô-nôn (phonon). Cuối cùng pô-si-trôn đạt
trạng thái cân bằng nhiệt với môi trường và duy trì trạng thái này nhờ vào sự phát và
hấp thụ phô-nôn.
Độ giảm năng lượng của pô-si-trôn được tính toán bởi biểu thức sau [2]
24 9 4
2
2 6 2 2
2 (3 10 )
ln
(1,6 10 ) (1 )
m k
m
E EdE q NZ MeV
dx E I cm
θπ
θ
θ θ−
  ×
−  
× −  
(2.2)
Với: q=1,6x10-19
C : điện tích pô-si-trôn
N : số lượng nguyên tử của tinh thể trong 1cm3
Z : số nguyên tử của hạt nhân tinh thể
Em=0,51MeV : năng lượng tĩnh của pô-si-trôn
Ek : động năng tức thời của pô-si-trôn
cv /=θ : tỉ số giữa tốc độ của pô-si-trôn và tốc độ ánh sáng
I : thế i-ôn hóa và kích thích của chất hấp thụ
Sự khuếch tán
Khi đạt đến thái cân bằng nhiệt với môi trường, pô-si-trôn bước vào quá trình
khuyếch tán trong tinh thể. Quãng đường tự do trung bình l của pô-si-trôn được
biểu diễn là hàm của nhiệt độ [5]
2
3D
l
v
+
= ; với 2
*
3 Bk T
v
m
= (2.3)
Trong đó v là vận tốc pô-si-trôn nhiệt, kB là hằng số Bôi-zơ-man (Boltzmann), T là
nhiệt độ, m*
là khối lượng hiệu dụng của pô-si-trôn, D+ là hằng số khuếch tán pô-si-
trôn.

43. Trong suốt quá trình khuyếch tán, pô-si-trôn sẽ tương tác với môi trường và
cuối cùng sẽ hủy với ê-lec-trôn môi trường hoặc có thể bị bẫy bởi các vùng khuyết của
tinh thể và bị hủy ở trong đó. Trong môi trường hoàn hảo (không có sai hỏng), các pô-
si-trôn hủy với cùng một tốc độ bλ đặc trưng cho từng môi trường đó. Độ dài khuếch
tán của pô-si-trôn L+
là một đại lượng xác định vì thời gian sống của pô-si-trôn
(
1
b
b
τ
λ
= ) xác định: .bL Dτ+ += . Quãng đường tự do trung bình và độ dài khuếch tán
của pô-si-trôn (trong một số kim loại và chất bán dẫn) đã được tính toán, tương ứng cỡ
vài chục na-nô mét và vài trăm na-nô mét.
Quá trình nhiệt hóa, khuếch tán và hủy pô-si-trôn được minh họa ở hình 2.3
Hình 2.3: Hình vẽ minh họa các quá trình tương tác của pô-si-trôn trong tinh thể
2.1.3.2. Sự hủy pô-si-trôn
a. Sự bẫy pô-si-trôn
Nếu trong mạng tinh thể tồn tại những sai hỏng (sai hỏng điểm, sai hỏng
đường,…) thì pô-si-trôn sẽ có xác suất khuếch tán vào trong các sai hỏng đó. Khi đó
tốc độ hủy của các pô-si-trôn sẽ không giống nhau mà thay đổi theo trạng thái của pô-
si-trôn. Tại những khuyết tật thể tích mở (lỗ rỗng), do sự giảm trong lực đẩy Cu-lông,
trạng thái pô-si-trôn định xứ tại sai hỏng có thể có năng lượng thấp hơn trạng thái pô-
si-trôn không định xứ (pô-si-trôn tự do). Sự chuyển từ trạng thái không định xứ sang
Quá trình nhiệt
Quá trình hủy
Quá trình khuyếch
Nguồn pô-si-
e

44. trạng thái định xứ gọi là sự bẫy pô-si-trôn. Khi pô-si-trôn bị bẫy, sự hủy bị quyết định
bởi mật độ ê-lec-trôn ở vùng hủy. Mật độ ê-lec-trôn giảm kéo theo tốc độ hủy giảm, vì
thế pô-si-trôn bị bẫy tồn tại lâu hơn so với những pô-si-trôn tự do khác. Tốc độ hủy
trong mỗi trạng thái phản ánh mật độ pô-si-trôn ở trạng thái đó và cho thông tin để xác
định về các loại sai hỏng khác nhau trong vật liệu. Không phải tất cả các lỗ trống hay
sai hỏng nào cũng có thể bẫy pô-si-trôn, sự bẫy pô-si-trôn được quan sát tốt trong các
kim loại như Cu, Ag, Mg, Fe. [2]
b. Sự hủy pô-si-trôn
Quá trình hủy cặp của pô-si-trôn với ê-lec-trôn (e+
-e-
) tuân theo định luật bảo
toàn năng lượng, điện tích, spin và mô-men động lượng. Sự hủy của pô-si-trôn khi
tương tác với ê-lec-trôn kèm theo sự phát ra của một, hai, hay nhiều hơn phô-tôn, tùy
thuộc vào trạng thái spin của cặp e+
-e-
và sự hiện diện của các hạt khác ở nơi xảy ra
quá trình hủy.
Sự hủy cặp e+
-e-
phát ra một phô-tôn chỉ khi có sự hiện diện của hạt thứ ba (hạt
nhân hay ê-lec-trôn) nhận lấy phần động lượng ngược hướng với động lượng của phô-
tôn. Quá trình hủy cặp này có thể xảy ra đối với các pô-si-trôn có năng lượng lớn, đó
là phản ứng hạt nhân giữa pô-si-trôn và hạt nhân của môi trường. Quá trình này cho ít
thông tin về cấu trúc ê-lec-trôn của môi trường hủy.
Khi sự hủy chỉ có một pô-si-trôn tự do và một ê-lec-trôn tự do, ít nhất phải có
hai phô-tôn được tạo ra.
Tiết diện hủy pô-si-trôn giảm nhanh theo số lượng của phô-tôn phát ra. Khi số
phô-tôn phát ra tăng 1, thì tiết diện hủy giảm đi một lượng bằng giá trị của hằng số
cấu trúc
1
137
α = [25]
(3 ) 1
(2 ) 137
σ γ
σ γ
= , 2
(4 ) 1
(2 ) 137
σ γ
σ γ
= (2.4)
Như vậy, quá trình hủy cặp e+
-e-
kèm theo phát xạ hai phô-tôn có xác suất lớn hơn
nhiều so với các quá trình hủy phát xạ 3, 4 phô-tôn.

45. Với mục tiêu nghiên cứu cấu trúc vật rắn, người ta thường dùng các pô-si-trôn
từ các đồng vị phóng xạ, có năng lượng không lớn lắm và nghiên cứu quá trình hủy
cặp e+
-e-
kèm theo phát xạ hai phô-tôn.
Trong vật rắn, sự hủy cặp có thể xảy ra trong hai trạng thái của cặp e+
-e-
.
o Trạng thái tự do: pô-si-tron tương tác với ê-lec-trôn dẫn của vật rắn mà không
có liên kết gì với ê-lec-trôn.
o Trạng thái liên kết: pô-si-tron cùng với ê-lec-trôn tạo thành một nguyên tử
kiểu hy-đrô, nguyên tử này được gọi là pô-si-trô-ni-um (positronium), kí hiệu
là Ps.
Hủy tự do
Tiết diện hủy kèm theo phát xạ hai phô-tôn xảy ra giữa một pô-si-trôn tự do và một
ê-lec-trôn tự do được Đi-rắc tính toán. Xét phi tương đối tính, tiết diện hủy tăng khi
vận tốc của các hạt tương tác (e+
-e-
) giảm (vận tốc tương đối của pô-si-trôn và ê-lec-
trôn).
2
2 0D
c
r
v
γσ σ π= = (2.5)
Với r0 là bán kính cổ điển của ê-lec-trôn, c là tốc độ của ánh sáng trong chân không. v
là vận tốc tương đối của pô-si-trôn và ê-lec-trôn. Tiết diện này tỉ lệ nghịch với vận tốc
v.
Xem môi trường tương tác như một khí ê-lec-trôn tự do với vận tốc đồng nhất ve-. Xét
một đại lượng gọi là vận tốc hủy, có biểu thức: 2 2 .γ γλ σ φ=
Trong đó φ là thông lượng ê-lec-trôn ở nơi pô-si-trôn, có giá trị bằng: với n
là mật độ ê-lec-trôn ở nơi pô-si-trôn hủy.
Nếu cho rằng pô-si-trôn hủy khi chúng đã được nhiệt hóa thì vận tốc tương đối v trong
biểu thức của có thể xem là vận tốc của các ê-lec-trôn.
Khi đó có thể viết lại biểu thức của như sau:
(2.6)

46. có thứ nguyên là nghịch đảo của thời gian, s-1
. Đại lượng này có ý nghĩa là xác
suất toàn phần hủy pô-si-trôn trong đơn vị thời gian. Đại lượng nghịch đảo của nó, có
thứ nguyên thời gian, có ý nghĩa là thời gian sống trung bình của pô-si-trôn, thường
được kí hiệu là .
2
2 0
1 1
r cnγ
τ
λ π
= = (2.7)
Như vậy, thời gian sống của pô-si-trôn trong vật chất tỉ lệ nghịch với mật độ ê-lec-trôn
mà pô-si-trôn trong vật chất.
Quá trình hủy pô-si-trôn có tính ngẫu nhiên, tương tự như tính ngẫu nhiên của
sự phân rã phóng xạ : nếu ban đầu có một số N0 pô-si-trôn trong vật chất, xác suất hủy
là , thì tại thời điểm t sẽ vẫn còn tồn tại N pô-si-trôn, và được xác định theo biểu
thức (2.8)
N(t)=N0exp(- (2.8)
Thừa số exp(- có ý nghĩa là xác suất để cho một pô-si-trôn phát ra ở thời điểm
ban đầu t=0 vẫn còn tồn tại đến thời điểm t.
 Trong trường hợp hai phô-tôn được phát ra, ta có :
(2.9)
(2.10)
ở đây: 0
2
2
1
m
m
v
c
=
−
, với m0 là khối lượng nghỉ của ê-lec-trôn, k1 và k2 là động lượng
của phô-tôn, E là năng lượng của cặp e+
-e-
, v là vận tốc khối tâm của cặp e+
-e-
theo hệ
quy chiếu gắn với phòng thí nghiệm.
Biểu thức (2.9) và (2.10) chỉ ra rằng khối tâm của cặp e+
-e-
trong cố định đối với hệ
quy chiếu phòng thí nghiệm (v = 0) thì hai phô-tôn phát ra theo hai hướng ngược
nhau (góc giữa chúng là 0o
) với cùng một năng lượng:

47. (2.11)
Giản đồ phương bay ra của hai phô-tôn được minh họa ở hình 2.4.
Hình 2.4: Giản đồ phương bay ra của hai phô-tôn hủy
Khi v khác 0, góc giữa hai hướng mà phô-tôn bay ra khác 1800
và năng lượng cũng
không bằng 0,51 MeV. Nếu động lượng của cặp , góc lệch được xác định
bởi công thức (2.12)
0
sin
p
m c
θ ⊥
≈ (2.12)
Và độ biến thiên năng lượng của phô-tôn được cho bởi công thức (2.13) (hiệu chỉnh
Đôp-le) :
2
p c
Eγ∆ ≈ 
(2.13)
Các kết quả nghiên cứu đã cho thấy góc rất nhỏ, chỉ cỡ 10
tức là chỉ khoảng
16 17mrad− và chỉ cỡ vài keV.
Như vậy, xung lượng của ê-lec-trôn liên hệ với góc lệch giữa hai hướng phát xạ của
các lượng tử gam-ma và sai khác năng lượng theo hệ thức :
0p m cθ⊥ ≈ (2.14)
2 E
p
c
γ∆
≈ (2.15)
Tóm lại, trong trường hợp hủy tự do của pô-si-trôn, ta có kết luận sau :

48. Từ sự nghiên cứu thời gian sống của pô-si-trôn trong vật chất có thể được
thông tin về mật độ n của ê-lec-trôn trong vật chất đó.
Vì pô-si-trôn khi hủy có động năng rất nhỏ (chỉ cỡ vài phẫn trăm eV khi nhiệt
hóa) nên xung lượng của cặp e+
-e-
có thể xem là xung lượng của ê-lec-trôn. Do đó,
nghiên cứu phân bố bức xạ hủy theo góc lệch và theo năng lượng sẽ biết xung
lượng của ê-lec-trôn.
 Xét sư hủy kèm theo phát xạ ba phô-tôn, khó xác định được động lượng và năng
lượng của các phô-tôn phát ra nếu chỉ dựa vào các định luật bảo toàn. Khi v = 0, tất
cả các phô-tôn phát ra trong cùng một mặt phẳng, góc lệch so với mặt phẳng này
(khi v khác 0) là do bậc v/c. Khác với sự hủy kèm theo hai phô-tôn, các phô-tôn
phát ra trong sự hủy kèm theo ba phô-tôn có năng lượng liên tục trong khoảng từ 0
đến 0,51 MeV.
Hủy liên kết
Trong nhiều loại vật chất sự hủy của pô-si-trôn diễn ra ngay cả ở trạng thái liên kết
của pô-si-trôn với ê-lec-trôn, nguyên tử, phân tử, và các lỗ trống khác. Loại liên kết
giữa hai hạt đơn giản nhất e+
-e-
là pô-si-trô-ni-um.
Năng lượng liên kết của nguyên tử pô-si-trô-ni-um bằng một nửa và bán kính quỹ
đạo lớn gấp đôi so với năng lượng và bán kính quỹ đạo của nguyên tử Hy-đrô, được
tính theo công thức (2.16) và (2.17)
4
0
2 2
4
n
m e
E
n
= −

(2.16)
2 2
2
0
2
n
n
r
m e
=

(2.17)
Ở trạng thái cơ bản của nguyên tử pô-si-trô-ni-um ( 1n = ), năng lượng liên kết
1 6,77PsE E=− = eV và bán kính Bohr aPs=2a0=0,106 nm (với a0 là bán kính Bohr thứ
nhất của nguyên tử Hy-đrô).

49. Xét phi tương đối tính, hàm sóng của pô-si-trô-ni-um khi đã tính đến sự giảm
khối lượng thì giống với hàm sóng của nguyên tử Hy-đrô. Chẳng hạn, hàm sóng ở
trạng thái cơ bản của pô-si-trô-ni-um có dạng :
1 3
1
( ) exp( )
PsPs
r
r
aa
ψ
π
= − (2.18)
Tùy vào sự định hướng spin của e+
và e-
đối với nhau, ta chia ra hai trạng thái
cơ bản của nguyên tử pô-si-trô-ni-um: trạng thái singlet 1
S0 (Pa-ra-pô-si-trô-ni-um
(parapositronium), p-Ps) khi spin của e-
và e+
ngược hướng, và trạng thái triplet 3
S1
(or-tho-pô-si-trô-ni-um (orthopositronium), o-Ps) khi spin của e-
và e+
cùng hướng.
Thời gian sống trong chân không của p-Ps và o-Ps tương ứng là 0,125 ns và 140 ns.
Or-tho-pô-si-trô-ni-um có ba trạng thái ứng với ba giá tri khác nhau của số lượng tử từ
m: +1, 0, -1; còn pa-ra-pô-si-trô-ni-um chỉ có một trạng thái ứng với 0m = . Do đó,
khối lượng tĩnh tương đối của or-tho-pô-si-trô-ni-um là
3
4
, của pa-ra-pô-si-trô-ni-um
là
1
4
.
Tiết diện hủy và thực tế diễn biến của sự hủy tùy thuộc sự định hướng spin lẫn
nhau của các hạt thành phần tham gia sự hủy. Chẳng hạn, pa-ra-pô-si-trô-ni-um chỉ
xảy ra kèm theo sự phát xạ của hai phô-tôn, trong khi or-tho-pô-si-trô-ni-um chỉ xảy
ra kèm theo sự phát xạ ba phô-tôn. Khả năng hủy tự phát của p-Ps và o-Ps cũng khác
nhau.
Tốc độ hủy 0
Sλ và thời gian sống trung bình 0
Sτ của sự hủy tự phát của trạng thái
cơ bản của p-Ps được cho bởi biểu thức (2.19)
20 2
0 10
1
4 (0)S
S
r cλ π ψ
τ
= = (2.19)
Với là xác suất tìm thấy ê-lec-trôn trong vùng gần pô-si-trôn. Thay (2.18)
vào (2.19), ta tính được tốc độ hủy và thời gian sống của p-Ps ở biểu thức (2.20)
, = 1,25 (2.20)