Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( январь 2021 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Рентгеновская абсорбционная спектроскопия (XAS) - широко используемый метод определения локальной геометрической и / или электронной структуры вещества. [1] Эксперимент обычно проводится на установках синхротронного излучения , которые обеспечивают интенсивные и настраиваемые рентгеновские лучи. Образцы могут быть в газовой фазе, растворах или твердых веществах. [2]
Фон [ править ]
Данные XAS получаются путем настройки энергии фотонов [3] с помощью кристаллического монохроматора на диапазон, в котором могут быть возбуждены остовные электроны (0,1-100 кэВ). Края частично названы тем, по которым возбуждается остовный электрон: главные квантовые числа n = 1, 2 и 3 соответствуют K-, L- и M-краям соответственно. [4] Например, возбуждение 1s-электрона происходит на K-крае , в то время как возбуждение 2s- или 2p-электрона происходит на L-крае (рис. 1).
В спектре, созданном с помощью данных XAS, обнаруживаются три основных участка, которые затем рассматриваются как отдельные спектроскопические методы (рисунок 2):
- Порог поглощения определяется переходом к низших незанятых состояний:
- состояния на уровне Ферми в металлах, дающие «передний фронт» в форме дуги ;
- что связанные основные экситоны в изоляторах с лоренцевской линией-формой (они имеют место в области , предкраевой при энергиях ниже , чем переходы до самого низкого уровня незанятого);
- Передняя структура поглощения рентгеновских лучей ( XANES ), представленная в 1980 г. и позже в 1983 г., также называемая NEXAFS (тонкая структура поглощения рентгеновских лучей у ближнего края), в которой преобладают переходы ядра в квазисвязанные состояния (резонансы многократного рассеяния) для фотоэлектроны с кинетической энергией в диапазоне от 10 до 150 эВ выше химического потенциала, называемые «резонансами формы» в молекулярных спектрах, поскольку они обусловлены конечными состояниями с коротким временем жизни, вырожденными с континуумом с формой линии Фано. В этом диапазоне актуальны многоэлектронные возбуждения и многочастичные конечные состояния в сильно коррелированных системах;
- В области высоких кинетических энергий фотоэлектрона сечение рассеяния соседними атомами невелико, а в спектрах поглощения преобладает EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure), где рассеяние выброшенного фотоэлектрона соседними атомами может быть аппроксимированы однократным рассеянием. В 1985 году было показано, что теорию многократного рассеяния можно использовать для интерпретации как XANES, так и EXAFS ; поэтому экспериментальный анализ, сосредоточенный на обоих регионах, теперь называется XAFS .
XAS - это тип абсорбционной спектроскопии исходного состояния ядра с четко определенной симметрией; поэтому квантово-механические правила отбора выбирают симметрию конечных состояний в континууме, которые обычно представляют собой смесь нескольких компонентов. Наиболее интенсивные особенности связаны с разрешенными электрическими дипольными переходами (т.е. Δℓ = ± 1) в незанятые конечные состояния. Например, наиболее интенсивные особенности K-края обусловлены переходами ядра из 1s → p-подобных конечных состояний, в то время как наиболее интенсивные особенности L 3- ребра обусловлены 2p → d-подобными конечными состояниями.
Методологию XAS можно в общих чертах разделить на четыре экспериментальные категории, которые могут давать дополнительные результаты друг другу: металлический K-край , металлический L-край , лигандный K-край и EXAFS.
Наиболее очевидным средством картирования гетерогенных образцов за пределами контраста поглощения рентгеновских лучей является элементный анализ с помощью рентгеновской флуоресценции, аналогичный методам EDX в электронной микроскопии. [5]
Приложения [ править ]
XAS - это метод, используемый в различных научных областях, включая физику молекул и конденсированных сред , материаловедение и инженерию , химию , науки о Земле и биологию . В частности, его уникальная чувствительность к локальной структуре по сравнению с дифракцией рентгеновских лучей была использована для изучения:
- Аморфные твердые тела и жидкие системы
- Твердые решения
- Материалы для легирования и ионной имплантации электроники
- Локальные искажения кристаллических решеток.
- Металлоорганические соединения
- Металлопротеины
- Металлические кластеры
- Катализ
- Вибрационная динамика [ необходима цитата ]
- Ионы в растворах
- Видообразование элементов
- Жидкая вода и водные растворы
- Используется для обнаружения перелома костей
- Используется для определения концентрации любой жидкости в любом резервуаре
См. Также [ править ]
- Рентгеновское поглощение вблизи краевой структуры (XANES)
- Рентгеновская эмиссионная спектроскопия
Ссылки [ править ]
- ^ "Введение в тонкую структуру поглощения рентгеновских лучей (XAFS)" , Спектроскопия поглощения рентгеновских лучей для химических наук и материаловедения , Чичестер, Великобритания: John Wiley & Sons, Ltd, стр. 1-8, 2017-11-24, DOI : 10.1002 / 9781118676165.ch1 , ISBN 978-1-118-67616-5, получено 2020-09-28
- ^ Яно Дж, Yachandra В.К. (2009-08-04). «Рентгеновская абсорбционная спектроскопия» . Фотосинтез Исследования . 102 (2–3): 241–54. DOI : 10.1007 / s11120-009-9473-8 . PMC 2777224 . PMID 19653117 .
- ^ Попминчев, Димитар; Галлоуэй, Бенджамин Р .; Чен, Мин-Чанг; Доллар Франклин; Манкузо, Кристофер А .; Ханкла, Амелия; Миаджа-Авила, Луис; О'Нил, Гален; Шоу, Джастин М .; Фань, Гуанъюй; Алишаускас, Скирмантас (01.03.2018). "Спектроскопия тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей на ближних и расширенных краях с использованием сверхбыстрого когерентного гармонического сверхконтинуума высокого порядка" . Письма с физическим обзором . 120 (9). DOI : 10.1103 / physrevlett.120.093002 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Келли Д., Хестерберг Д, Равель В (2015). «Анализ почв и минералов с помощью рентгеновской абсорбционной спектроскопии» . Методы анализа почв. Часть 5 - Минералогические методы . John Wiley & Sons, Ltd., стр. 387–463. DOI : 10.2136 / sssabookser5.5.c14 . ISBN 978-0-89118-857-5. Проверено 24 сентября 2020 .
- ^ Эванс, Джон. Рентгеновская абсорбционная спектроскопия для химии и материаловедения (Первое изд.). Хобокен, штат Нью-Джерси. ISBN 978-1-118-67617-2. OCLC 989811256 .
Внешние ссылки [ править ]
- Чжан М. (15 августа 2020 г.). «КСАНЕС - Теория» . Проект LibreTexts .
- Ньювилл М (25 июля 2008 г.). «Основы XAFS» (PDF) . Чикаго, Иллинойс: Чикагский университет.