Тонкая структура расширенного поглощения рентгеновских лучей

Тонкая структура расширенного поглощения рентгеновских лучей ( EXAFS ), наряду с ближнекраевой структурой поглощения рентгеновских лучей ( XANES ), является подмножеством рентгеновской абсорбционной спектроскопии ( XAS ). Как и другие абсорбционные спектроскопии , методы XAS подчиняются закону Бера . Коэффициент рентгеновских лучей поглощения материалом в зависимости от энергии получается путем направления на образец рентгеновских лучей узкого диапазона энергий с одновременной регистрацией интенсивности падающего и проходящего рентгеновского излучения по мере увеличения энергии падающего рентгеновского излучения. .

Когда энергия падающего рентгеновского излучения совпадает с энергией связи электрона атома внутри образца, количество рентгеновских лучей, поглощаемых образцом, резко увеличивается, вызывая падение интенсивности передаваемого рентгеновского излучения. Это приводит к образованию края 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 было бы невозможно обнаружить, если бы источник был слишком слабым. Поскольку рентгеновские лучи обладают высокой проникающей способностью, образцы XAS могут представлять собой газы, твердые вещества или жидкости.

Фон

EXAFS Спектры 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 рентгеновских лучей обычно нормируют на единицу высоты ступеньки. Это делается путем регрессии линии к области до и после края поглощения, вычитания линии перед краем из всего набора данных и деления на высоту шага поглощения, которая определяется разницей между предкраем и посткраем. краевые линии на значении E0 (на краю поглощения).

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

Спектры рентгеновского поглощения создаются в диапазоне 200–35 000 эВ. Доминирующим физическим процессом является тот, при котором поглощенный фотон выбрасывает основной фотоэлектрон из поглощающего атома, оставляя после себя основную дырку. Атом с основной дыркой теперь возбужден. Энергия выброшенного фотоэлектрона будет равна энергии поглощенного фотона за вычетом энергии связи исходного основного состояния. Вылетевший фотоэлектрон взаимодействует с электронами окружающих невозбужденных атомов.

Если предположить, что вылетевший фотоэлектрон имеет волновую природу, а окружающие его атомы описать как точечные рассеиватели, то можно представить, что волны обратного рассеяния электронов интерферируют с волнами, распространяющимися вперед. Результирующая интерференционная картина проявляется как модуляция измеренного коэффициента поглощения, вызывая тем самым колебания спектров EXAFS. Упрощенная теория однократного рассеяния плоских волн использовалась для интерпретации спектров EXAFS в течение многих лет, хотя современные методы (такие как FEFF, GNXAS) показали, что поправками на кривые волны и эффектами многократного рассеяния нельзя пренебрегать. Амплитуда рассеяния фотоэлектронов в низкоэнергетическом диапазоне (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 волны обратного рассеяния, которая существует на центральном атоме. Длина волны изменяется в зависимости от энергии падающего фотона. Фаза обратнорассеянной волны зависят от типа атома, осуществляющего обратное и амплитуда рассеяние, и от расстояния обратнорассеянного атома от центрального атома. Зависимость рассеяния от сорта атомов позволяет на основе анализа этих EXAFS-данных получить информацию о химическом координационном окружении исходного поглощающего (центрально-возбужденного) атома.

Экспериментальные соображения

Поскольку для EXAFS требуется настраиваемый источник рентгеновского излучения, данные часто собираются на синхротронах , часто на линиях луча , которые специально оптимизированы для этой цели. Полезность того или иного синхротрона для исследования конкретного твердого тела зависит от яркости потока рентгеновского излучения на краях поглощения соответствующих элементов.

Приложения

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

стеклянные , аморфные и жидкие системы
твердые растворы
легирование и ионная имплантация материалов для электроники
локальные искажения кристаллических решеток
металлорганические соединения
металлопротеины
металлические кластеры
колебательная динамика ^{[ нужна ссылка ]}
ионы в растворах
анализ химического состава

РСА предоставляет дополнительную к дифракционной информацию об особенностях локального структурного и термического беспорядка в кристаллических и многокомпонентных материалах.

Использование атомистического моделирования, такого как молекулярная динамика или обратный метод Монте-Карло, может помочь в извлечении более надежной и более подробной структурной информации.

Примеры

EXAFS, как и XANES , является высокочувствительным методом с элементной специфичностью. Таким образом, EXAFS является чрезвычайно полезным способом определения химического состояния практически важных видов, которые встречаются в очень низкой численности или концентрации. EXAFS часто используется в химии окружающей среды , где ученые пытаются понять распространение загрязнителей через экосистему . EXAFS может использоваться вместе с ускорительной масс-спектрометрией в судебно-медицинских экспертизах, особенно в ядерного оружия целях нераспространения .

История

Очень подробный, взвешенный и информативный отчет об истории EXAFS (первоначально называвшихся структурами Косселя) дан Р. Штуммом фон Бордвером . ^[1] Более современный и точный отчет об истории XAFS (EXAFS и XANES) дает руководитель группы, разработавшей современную версию EXAFS, в наградной лекции Эдварда А. Стерна. ^[2]

См. также

Ссылки

^ Бордвер, Р. Штумм фон (1989). «История тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей». Анналы тела . 14 (4): 377–465. Бибкод : 1989АнФ...14..377С . doi : 10.1051/anphys:01989001404037700 . ISSN 0003-4169 .
^ Стерн, Эдвард А. (1 марта 2001 г.). «Размышления о развитии XAFS» . Журнал синхротронного излучения . 8 (2): 49–54. дои : 10.1107/S0909049500014138 . ISSN 0909-0495 . ПМИД 11512825 .

Библиография

Книги

Кэлвин, Скотт. (20 мая 2013 г.). XAFS для всех . Фёрст, Кирин Эмлет. Бока Ратон. ISBN 9781439878637 . OCLC 711041662 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
Бункер, Грант, 1954- (2010). Введение в XAFS: практическое руководство по рентгеновской абсорбционной спектроскопии тонкой структуры . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780511809194 . OCLC 646816275 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: 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, применение, методы EXAFS, SEXAFS и XANES . Конингсбергер, округ Колумбия, Принс, Рулоф. Нью-Йорк: Уайли. 1988. ISBN 0471875473 . OCLC 14904784 . {{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )

Главы книг

Келли, SD; Хестерберг, Д.; Равель, Б.; Улери, Эйприл Л.; Ричард Дрис, Л. (2008). «Анализ почв и минералов методами рентгеновской абсорбционной спектроскопии» . Методы анализа почвы Часть 5 . Общество почвоведения Америки. дои : 10.2136/sssabookser5.5.c14 . ISBN 9780891188575 . Архивировано из оригинала (PDF) 16 июля 2019 г. Проверено 16 июля 2019 г. {{cite book}}: |work= игнорируется ( помогите )

Статьи

Стерн, Эдвард А. (1 февраля 2001 г.). «Размышления о разработке XAFS» (PDF) . Журнал синхротронного излучения . 8 (2). Международный союз кристаллографии (IUCr): 49–54. дои : 10.1107/s0909049500014138 . ISSN 0909-0495 . ПМИД 11512825 .
Рер, Джей-Джей; Альберс, Р.К. (1 июня 2000 г.). «Теоретические подходы к тонкой структуре поглощения рентгеновских лучей». Обзоры современной физики . 72 (3). Американское физическое общество (APS): 621–654. Бибкод : 2000РвМП...72..621Р . дои : 10.1103/revmodphys.72.621 . ISSN 0034-6861 .
Филиппони, Адриано; Ди Чикко, Андреа; Натоли, Калоджеро Ренцо (1 ноября 1995 г.). «Рентгеноабсорбционная спектроскопия и функции распределения n тел в конденсированном состоянии. I. Теория». Физический обзор B . 52 (21). Американское физическое общество (APS): 15122–15134. Бибкод : 1995PhRvB..5215122F . дои : 10.1103/physrevb.52.15122 . ISSN 0163-1829 . ПМИД 9980866 .
де Гроот, Франк (2001). «Рентгеновская эмиссионная и рентгеновская абсорбционная спектроскопия высокого разрешения». Химические обзоры . 101 (6). Американское химическое общество (ACS): 1779–1808. дои : 10.1021/cr9900681 . hdl : 1874/386323 . ISSN 0009-2665 . ПМИД 11709999 . S2CID 44020569 .
Ф. В. Литл, «Генеалогическое древо EXAFS: личная история развития тонкой структуры расширенного поглощения рентгеновских лучей» ,
Сэйерс, Дейл Э.; Стерн, Эдвард А.; Литл, Фаррел В. (1 октября 1971 г.). «Новый метод исследования некристаллических структур: Фурье-анализ расширенной рентгеновско-абсорбционной тонкой структуры». Письма о физических отзывах . 27 (18). Американское физическое общество (APS): 1204–1207. Бибкод : 1971PhRvL..27.1204S . дои : 10.1103/physrevlett.27.1204 . ISSN 0031-9007 .
А. Кодре, И. Арчон, Материалы 36-й Международной конференции по микроэлектронике, устройствам и материалам, MIDEM, Постойна, Словения, 28–20 октября (2000 г.), с. 191-196

Внешние ссылки

[1] Бордвер, Р. Штумм фон (1989). «История тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей». Анналы тела . 14 (4): 377–465. Бибкод : 1989АнФ...14..377С . doi : 10.1051/anphys:01989001404037700 . ISSN 0003-4169 .

[2] Стерн, Эдвард А. (1 марта 2001 г.). «Размышления о развитии XAFS» . Журнал синхротронного излучения . 8 (2): 49–54. дои : 10.1107/S0909049500014138 . ISSN 0909-0495 . ПМИД 11512825 .

[1]

[2]