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 рентгеновского излучения (КСАНЕС ), представляет собой подмножество рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS ). Как и другие абсорбционная спектроскопия, Методы XAS следуют Закон пива. В рентгеновский снимок коэффициент поглощения материала в зависимости от 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 соответствует энергия связи из электрон 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 XAS-элемента. Спектры XAS чаще всего собирают на синхротроны из-за высокой интенсивности синхротронных источников рентгеновского излучения позволяют концентрации поглощающего элемента достигать нескольких частей на миллион. Поглощение невозможно обнаружить, если источник слишком слаб. Поскольку рентгеновские лучи обладают высокой проникающей способностью, образцы XAS могут быть газами, твердыми телами или жидкостями.

Фон

EXAFS спектры отображаются в виде графиков коэффициента поглощения данного материала по сравнению с энергия, как правило, от 500 до 1000 эВ диапазон, начинающийся до край 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 КСАНЕС спектры. 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 поглощения рентгеновских лучей получены в диапазоне 200 - 35 000 эВ. Доминирующий физический процесс - это процесс, при котором поглощенный фотон выбрасывает ядро фотоэлектрон от поглощающего атома, оставляя после себя отверстие в ядре. Атом с дыркой в ​​ядре теперь возбужден. Энергия выброшенного фотоэлектрона будет равна энергии поглощенного фотона минус энергия энергия связи исходного состояния ядра. Выброшенный фотоэлектрон взаимодействует с электронами в окружающих невозбужденных атомах.

Если считать, что выброшенный фотоэлектрон имеет волна -подобная природа и окружающие атомы описываются как точечные рассеиватели, можно представить себе рассеянный назад электронные волны, мешающие распространяющимся вперед волнам. Результирующая интерференционная картина отображается 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 изогнутые 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 КСАНЕС (или NEXAFS) спектры.

В длина волны фотоэлектрона зависит от энергии и фазы обратно рассеянной волны, которая существует на центральном атоме. Длина волны изменяется в зависимости от энергии падающего фотона. В фаза и амплитуда волны обратного рассеяния зависят от типа атома, производящего обратное рассеяние, и расстояния от атома обратного рассеяния до 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 в синхротроны, часто в лучи которые специально оптимизированы для этой цели. Полезность конкретного синхротрона для изучения конкретного твердого тела зависит от яркость рентгеновского потока на краях поглощения соответствующих элементов.

Приложения

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

Примеры

EXAFS, как и КСАНЕС, высокочувствительный метод с элементарной специфичностью. Таким образом, EXAFS - чрезвычайно полезный способ определения химического состояния практически важных видов, которые встречаются в очень низкой численности или концентрации. Частое использование EXAFS происходит в химия окружающей среды, где ученые пытаются понять распространение загрязняющие вещества через экосистема. EXAFS можно использовать вместе с ускорительная масс-спектрометрия в судебно-медицинский экзамены, особенно в ядерный нераспространение Приложения.

EXAFS был использован для изучения уран химия в стекло.[1]

История

Очень подробный, сбалансированный и информативный отчет об истории EXAFS (первоначально называвшийся структурами Косселя) дает Р. Штумм фон Бордвер.[2]Более современный и точный отчет об истории XAFS (EXAFS и XANES) дан лидером группы, разработавшей современную версию EXAFS, в лекции Эдварда А. Стерна.[3]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Biwer, B.M .; Soderholm, L .; Greegor, R. B .; Литл, Ф. В. (1996-12-31). «Видообразование актинидов в слоях выщелачивания стекла: исследование EXAFS». OSTI  459339. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  2. ^ Бордвер, Р. Штумм фон (1989). «История тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей». Annales de Physique. 14 (4): 377–465. Дои:10.1051 / anphys: 01989001404037700. ISSN  0003-4169.
  3. ^ Стерн, Эдвард А. (2001-03-01). «Размышления о развитии XAFS». Журнал синхротронного излучения. 8 (2): 49–54. Дои:10.1107 / S0909049500014138. ISSN  0909-0495. PMID  11512825.

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 (связь)
  • 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, Д. К., Принс, Рулоф. Нью-Йорк: Вили. 1988 г. ISBN  0471875473. OCLC  14904784.CS1 maint: другие (связь)

Главы книги

Статьи

внешняя ссылка