Рентгеновское комбинационное рассеяние

Рентгеновское комбинационное рассеяние (XRS) — это нерезонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей на остовных электронах . Оно аналогично колебательному комбинационному рассеянию света , которое является широко используемым инструментом в оптической спектроскопии, с той разницей, что длины волн возбуждающих фотонов попадают в рентгеновский режим, а соответствующие возбуждения происходят от глубоких остовных электронов.

— это элементно-специфичный спектроскопический инструмент для изучения электронной структуры материи XRS . В частности, он исследует плотность состояний возбужденных состояний (DOS) атомов в образце. ^[1]

Описание

XRS — это процесс неупругого рассеяния рентгеновских лучей , при котором рентгеновский фотон высокой энергии передает энергию остовному электрону, переводя его в незанятое состояние. Процесс в принципе аналогичен поглощению рентгеновских лучей (XAS), но перенос энергии играет роль энергии рентгеновских фотонов, поглощаемых при поглощении рентгеновских лучей, точно так же, как при комбинационном рассеянии света в оптике могут быть колебательные низкоэнергетические возбуждения. Наблюдается путем изучения спектра света, рассеянного молекулой.

Поскольку энергия (и, следовательно, длина волны) зондирующего рентгеновского излучения может выбираться свободно и обычно находится в режиме жесткого рентгеновского излучения, существуют определенные ограничения. мягкого рентгеновского излучения при исследовании электронной структуры материалов. Например, исследования с помощью мягкого рентгеновского излучения могут быть чувствительными к поверхности и требуют вакуумной среды. Это делает невозможным исследование многих веществ, например многочисленных жидкостей, с использованием мягкого рентгеновского поглощения. Одним из наиболее заметных применений, в которых комбинационное рассеяние рентгеновских лучей превосходит мягкое рентгеновское поглощение, является исследование краев поглощения мягкого рентгеновского излучения при высоком давлении . В то время как высокоэнергетические рентгеновские лучи могут проходить через аппарат высокого давления, такой как ячейка с алмазной наковальней , и достигать образца внутри ячейки, мягкие рентгеновские лучи будут поглощаться самой ячейкой.

История

В своем отчете об открытии нового типа рассеяния сэр Чандрасекхара Венката Раман предположил, что аналогичный эффект следует обнаружить и в рентгеновском режиме. Примерно в то же время Берген Дэвис и Дана Митчелл сообщили в 1928 году о тонкой структуре рассеянного излучения графита и отметили, что у них есть линии, которые, по-видимому, согласуются с энергией калиевой оболочки углерода. ^[2] Несколько исследователей пытались провести подобные эксперименты в конце 1920-х — начале 1930-х годов, но результаты не всегда могли быть подтверждены. Часто первые недвусмысленные наблюдения эффекта XRS приписывают К. Дас Гупте (сообщено о результатах в 1959 г.) и Тадасу Судзуки (сообщено в 1964 г.). Вскоре стало понятно, что пик XRS в твердых телах уширяется из-за эффектов твердого тела и выглядит как полоса, по форме напоминающая форму спектра XAS. Потенциал этого метода был ограничен до тех пор, пока не стали доступны современные источники синхротронного света . Это связано с очень малой вероятностью XRS падающих фотонов, что требует излучения очень высокой интенсивности . Сегодня важность методов XRS быстро растет. Их можно использовать для изучения тонкой структуры ближнего поглощения рентгеновских лучей (NEXAFS или XANES), а также тонкой структуры расширенного поглощения рентгеновских лучей (EXAFS).

Краткая теория XRS

РРС относится к классу нерезонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей, которое сечение имеет

{d^{2}\sigma  \over d\Omega dE}=\left({d\sigma  \over d\Omega }\right)_{\rm {Th}}\times S(q,E)

.

Здесь, $(d\sigma /d\Omega )_{\rm {Th}}$ — сечение Томсона , которое означает, что происходит рассеяние электромагнитных волн на электронах. Физика изучаемой системы скрыта в динамическом структурном факторе $S(q,E)$ , которая является функцией передачи импульса $q$ и передача энергии $E$ . Динамический структурный фактор содержит все нерезонансные электронные возбуждения, включая не только остовные электронные возбуждения, наблюдаемые в XRS, но также, например, плазмоны , коллективные флуктуации валентных электронов и комптоновское рассеяние .

Сходство с поглощением рентгеновских лучей

В 1967 году Юкио Мизуно и Ёсихиро Омура показали, что при малых передачах импульса $q$ вклад XRS динамический структурный фактор пропорционален спектру поглощения рентгеновских лучей. Основное отличие состоит в том, что в то время как вектор поляризации света связан с импульсом поглощающего электрона в XAS, в XRS импульс падающего фотона связан с зарядом электрона. Поэтому передача импульса XRS играет роль фотонной поляризации XAS.

См. также

Ссылки

^ Шюльке, В (2007). Динамика электронов, изучаемая методом неупругого рентгеновского рассеяния . Издательство Оксфордского университета .
^ Дэвис, Берген; Митчелл, Дана П. (1 сентября 1928 г.). «Тонкая структура рассеянного излучения графита». Физический обзор . 32 (3): 331–335. Бибкод : 1928PhRv...32..331D . дои : 10.1103/PhysRev.32.331 .

[1] Шюльке, В (2007). Динамика электронов, изучаемая методом неупругого рентгеновского рассеяния . Издательство Оксфордского университета .

[2] Дэвис, Берген; Митчелл, Дана П. (1 сентября 1928 г.). «Тонкая структура рассеянного излучения графита». Физический обзор . 32 (3): 331–335. Бибкод : 1928PhRv...32..331D . дои : 10.1103/PhysRev.32.331 .

[1]

[2]