Расширенная тонкая структура поглощения рентгеновских лучей - Extended X-ray absorption fine structure

Три области данных XAS

Расширенная тонкая структура поглощения рентгеновских лучей ( EXAFS ), наряду с ближней краевой структурой поглощения рентгеновских лучей ( XANES ), является подмножеством спектроскопии поглощения рентгеновских лучей ( XAS ). Как и другие абсорбционные спектроскопии , методы XAS следуют закону Бера . Коэффициент поглощения рентгеновского излучения материалом как функция энергии получается с использованием рентгеновских лучей с узким энергетическим разрешением, направленных на образец, и интенсивность падающего и прошедшего рентгеновского излучения регистрируется по мере увеличения энергии падающего рентгеновского излучения. .

Когда энергия падающего рентгеновского излучения совпадает с энергией связи электрона атома в образце, количество рентгеновских лучей, поглощаемых образцом, резко увеличивается, вызывая падение интенсивности прошедшего рентгеновского излучения. Это приводит к краю поглощения. Каждый элемент имеет набор уникальных краев поглощения, соответствующих разным энергиям связи его электронов, что обеспечивает селективность элемента XAS. Спектры XAS чаще всего собираются на синхротронах, поскольку высокая интенсивность источников синхротронного рентгеновского излучения позволяет концентрации поглощающего элемента достигать нескольких частей на миллион. Поглощение невозможно обнаружить, если источник слишком слаб. Поскольку рентгеновские лучи очень проникают, образцы XAS могут быть газами, твердыми телами или жидкостями.

Задний план

Спектры EXAFS отображаются в виде графиков зависимости коэффициента поглощения данного материала от энергии , обычно в диапазоне 500–1000 эВ, начиная с края поглощения элемента в образце. Коэффициент поглощения рентгеновского излучения обычно нормируется на единицу высоты ступеньки. Это делается путем регрессии линии в область до и после края поглощения, вычитания линии перед краем из всего набора данных и деления на высоту ступеньки поглощения, которая определяется разницей между перед краем и после края. краевые линии при значении E0 (на краю поглощения).

Нормированные спектры поглощения часто называют спектрами XANES . Эти спектры можно использовать для определения средней степени окисления элемента в образце. Спектры XANES также чувствительны к координационному окружению поглощающего атома в образце. Методы отпечатка пальца использовались для сопоставления спектров XANES неизвестного образца со спектрами известных «стандартов». Линейная комбинационная аппроксимация нескольких различных стандартных спектров может дать оценку количества каждого из известных стандартных спектров в неизвестном образце.

Спектры поглощения рентгеновских лучей получены в диапазоне 200–35 000 эВ. Доминирующий физический процесс - это процесс, при котором поглощенный фотон выбрасывает фотоэлектрон ядра из поглощающего атома, оставляя после себя отверстие в ядре. Атом с дыркой в ​​ядре теперь возбужден. Энергия выброшенного фотоэлектрона будет равна энергии поглощенного фотона за вычетом энергии связи исходного остовного состояния. Выброшенный фотоэлектрон взаимодействует с электронами в окружающих невозбужденных атомах.

Если исходить из того, что выброшенный фотоэлектрон имеет волновую природу, а окружающие атомы описываются как точечные рассеиватели, можно представить себе, что волны рассеянных назад электронов интерферируют с волнами, распространяющимися вперед. Результирующая интерференционная картина проявляется как модуляция измеренного коэффициента поглощения, вызывая колебания в спектрах EXAFS. Упрощенная теория однократного рассеяния плоской волны использовалась для интерпретации спектров EXAFS в течение многих лет, хотя современные методы (такие как FEFF, GNXAS) показали, что нельзя пренебрегать поправками на криволинейные волны и эффектами многократного рассеяния. Амплитуда рассеяния фотоэлектронов в области низких энергий (5-200 эВ) кинетической энергии фотоэлектронов становится намного больше, так что события многократного рассеяния становятся доминирующими в спектрах XANES (или NEXAFS).

Длина волны фотоэлектрона зависит от энергии и фазы обратно рассеянной волны, которая существует в центральном атоме. Длина волны изменяется в зависимости от энергии падающего фотона. Фазы и амплитуды обратного рассеяния волны зависят от типа атома делает обратное рассеяние и расстояние атома обратного рассеяния от центрального атома. Зависимость рассеяния от разновидностей атомов позволяет получить информацию, относящуюся к химическому координационному окружению исходного поглощающего (центрально возбужденного) атома, анализируя эти данные EXAFS.

Экспериментальные соображения

Поскольку EXAFS требует настраиваемого источника рентгеновского излучения, данные всегда собираются на синхротронах , часто на линиях пучка, которые специально оптимизированы для этой цели. Полезность конкретного синхротрона для изучения конкретного твердого тела зависит от яркости потока рентгеновских лучей на краях поглощения соответствующих элементов.

Приложения

XAS - это междисциплинарный метод, и его уникальные свойства по сравнению с дифракцией рентгеновских лучей используются для понимания деталей локальной структуры в:

Примеры

EXAFS, как и XANES , является высокочувствительным методом с элементарной специфичностью. Таким образом, EXAFS является чрезвычайно полезным способом определения химического состояния практически важных видов, которые встречаются в очень низкой численности или концентрации. Частое использование EXAFS происходит в химии окружающей среды , где ученые пытаются понять распространение загрязнителей через экосистему . EXAFS может использоваться вместе с масс-спектрометрией на ускорителе в судебно-медицинских экспертиз, особенно в приложениях для ядерного нераспространения .

История

Очень подробный, сбалансированный и информативный отчет об истории EXAFS (первоначально называвшейся структурами Косселя) дан Р. Штумом фон Бордвером . Более современный и точный отчет об истории XAFS (EXAFS и XANES) дан лидером группы, разработавшей современную версию EXAFS, в лекции Эдварда А. Стерна.

Смотрите также

Рекомендации

Библиография

Книги

  • Кальвин, Скотт. (2013-05-20). XAFS для всех . Ферст, Кирин Эмлет. Бока-Ратон. ISBN 9781439878637. OCLC  711041662 .
  • Бункер, Грант, 1954- (2010). Введение в XAFS: практическое руководство по спектроскопии тонкой структуры рентгеновского поглощения . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780511809194. OCLC  646816275 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  • Тео, Бун К. (1986). EXAFS: основные принципы и анализ данных . Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 9783642500312. OCLC  851822691 .
  • Поглощение рентгеновских лучей: принципы, приложения, методы EXAFS, SEXAFS и XANES . Конингсбергер, округ Колумбия, Принс, Рулоф. Нью-Йорк: Вили. 1988. ISBN. 0471875473. OCLC  14904784 .CS1 maint: другие ( ссылка )

Главы книги

Статьи

Внешние ссылки