Rozszerzona struktura absorpcji promieniowania rentgenowskiego - Extended X-ray absorption fine structure
Rozszerzona struktura drobnoziarnista absorpcji promieniowania rentgenowskiego ( EXAFS ), wraz ze strukturą bliskiej krawędzi absorpcji promieniowania rentgenowskiego ( XANES ), jest podzbiorem spektroskopii absorpcji promieniowania rentgenowskiego ( XAS ). Podobnie jak inne spektroskopie absorpcyjne , techniki XAS są zgodne z prawem Beera . Rentgenowskie współczynnik pochłaniania materiału jako funkcji energii uzyskuje się stosując promieniowanie rentgenowskie wąskiej rozdzielczość energii jest skierowana na próbkę i zdarzenia i intensywność przenoszone rentgenowskiego zarejestrowane jako energii padającego promieniowania rentgenowskiego jest zwiększany .
Gdy energii padającego promieniowania rentgenowskiego odpowiada energii wiązania danego elektronu atomu w próbce numer rentgenowskie absorbowane przez próbki wzrasta dramatycznie, powodując spadek natężenia przekazywanego rentgenowskiej. Skutkuje to krawędzią absorpcji. Każdy pierwiastek ma zestaw unikalnych krawędzi absorpcji odpowiadających różnym energiom wiązania jego elektronów, co zapewnia selektywność pierwiastka XAS. Widma XAS są najczęściej zbierane na synchrotronach, ponieważ wysoka intensywność synchrotronowych źródeł promieniowania rentgenowskiego pozwala na osiągnięcie stężenia pierwiastka absorbującego nawet do kilku części na milion. Absorpcja byłaby niewykrywalna, gdyby źródło było zbyt słabe. Ponieważ promienie rentgenowskie są silnie penetrujące, próbki XAS mogą być gazami, ciałami stałymi lub cieczami.
tło
Widma EXAFS są wyświetlane jako wykresy współczynnika absorpcji danego materiału w funkcji energii , zwykle w zakresie 500 – 1000 eV, rozpoczynającym się przed krawędzią absorpcji pierwiastka w próbce. Współczynnik absorpcji promieniowania rentgenowskiego jest zwykle normalizowany do jednostkowej wysokości kroku. Odbywa się to poprzez regresję linii do obszaru przed i za krawędzią absorpcji, odjęcie linii przed krawędzią z całego zestawu danych i podzielenie przez wysokość kroku absorpcji, która jest określona przez różnicę między krawędzią przed i po linie krawędzi o wartości E0 (na krawędzi absorpcji).
Znormalizowane widma absorpcyjne są często nazywane widmami XANES . Widma te można wykorzystać do określenia średniego stopnia utlenienia pierwiastka w próbce. Widma XANES są również wrażliwe na środowisko koordynacyjne atomu absorbującego w próbce. W celu dopasowania widm XANES nieznanej próbki do widm znanych „standardów” zastosowano metody odcisków palców. Liniowe dopasowanie kombinacji kilku różnych standardowych widm może dać oszacowanie ilości każdego ze znanych standardowych widm w nieznanej próbce.
Widma absorpcji promieniowania rentgenowskiego są wytwarzane w zakresie 200 – 35 000 eV. Dominujący proces fizyczny to taki, w którym zaabsorbowany foton wyrzuca fotoelektron z rdzenia z absorbującego atomu, pozostawiając dziurę w rdzeniu. Atom z dziurą w rdzeniu jest teraz wzbudzony. Energia wyrzuconego fotoelektronu będzie równa energii pochłoniętego fotonu minus energia wiązania początkowego stanu jądra. Wyrzucony fotoelektron oddziałuje z elektronami w otaczających niewzbudzonych atomach.
Jeśli przyjmiemy, że wyrzucony fotoelektron ma naturę falową , a otaczające atomy są opisane jako rozpraszacze punktowe, można sobie wyobrazić, że rozproszone wstecznie fale elektronowe interferują z falami rozchodzącymi się do przodu. Powstały wzór interferencji ukazuje się jako modulacja zmierzonego współczynnika absorpcji, powodując w ten sposób oscylacje w widmach EXAFS. Od wielu lat do interpretacji widm EXAFS stosuje się uproszczoną teorię pojedynczego rozpraszania fal płaskich, chociaż nowoczesne metody (takie jak FEFF, GNXAS) wykazały, że nie można pominąć korekcji fal zakrzywionych i efektów wielokrotnego rozpraszania. Amplituda rozpraszania photelektronów w zakresie niskich energii (5-200 eV) energii kinetycznej fotoelektronów staje się znacznie większa, tak że w widmach XANES (lub NEXAFS) dominuje wielokrotne rozpraszanie .
Długość fali fotoelektronu zależy od energii i fazy fali wstecznie rozproszonej, która istnieje w centralnym atomie. Długość fali zmienia się w funkcji energii przychodzącego fotonu. Fazy i amplitudy w rozpraszanego wstecznie fali jest zależna od rodzaju atomu robi rozpraszania i odległość atomu rozpraszania wstecznego z atomu centralnego. Zależność rozpraszania na atomach umożliwia uzyskanie informacji dotyczących środowiska koordynacji chemicznej pierwotnego atomu absorbującego (centralnie wzbudzonego) poprzez analizę danych EXAFS.
Rozważania eksperymentalne
Ponieważ EXAFS wymaga przestrajalnego źródła promieniowania rentgenowskiego, dane są zawsze gromadzone w synchrotronach , często na liniach wiązki, które są specjalnie zoptymalizowane do tego celu. Użyteczność konkretnego synchrotronu do badania konkretnego ciała stałego zależy od jasności strumienia promieniowania rentgenowskiego na krawędziach absorpcji odpowiednich pierwiastków.
Aplikacje
XAS jest techniką interdyscyplinarną, a jej unikalne właściwości, w porównaniu z dyfrakcją promieniowania rentgenowskiego, zostały wykorzystane do zrozumienia szczegółów lokalnej struktury w:
- układy szklane , amorficzne i płynne
- solidne rozwiązania
- domieszkowanie i implantacja jonowa materiałów dla elektroniki
- lokalne zniekształcenia sieci krystalicznych
- związki metaloorganiczne
- metaloproteiny
- metalowe klastry
- dynamika drgań
- jony w roztworach
- specjacja pierwiastków
Przykłady
EXAFS jest, podobnie jak XANES , bardzo czułą techniką o specyficzności pierwiastkowej. Jako taki, EXAFS jest niezwykle użytecznym sposobem określania stanu chemicznego praktycznie ważnych gatunków, które występują w bardzo małej liczebności lub stężeniu. EXAFS jest często używany w chemii środowiska , gdzie naukowcy próbują zrozumieć rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń w ekosystemie . EXAFS może być używany wraz z akceleratorową spektrometrią mas w badaniach kryminalistycznych , szczególnie w zastosowaniach związanych z nieproliferacją jądrową .
Historia
Bardzo szczegółową, wyważoną i pouczającą relację o historii EXAFS (pierwotnie nazywanych strukturami Kossla) podaje R. Stumm von Bordwehr . Bardziej nowoczesny i dokładny opis historii XAFS (EXAFS i XANES) został przedstawiony przez lidera grupy, która opracowała nowoczesną wersję EXAFS w wykładzie Edwarda A. Sterna.
Zobacz też
- Spektroskopia absorpcji promieniowania rentgenowskiego
- Absorpcja promieniowania rentgenowskiego w pobliżu struktury krawędzi
- Drobna struktura absorpcji promieniowania rentgenowskiego o rozszerzonej powierzchni
Bibliografia
Bibliografia
Książki
- Calvin, Scott. (2013-05-20). XAFS dla każdego . Furst, Kirin Emlet. Boca Raton. Numer ISBN 9781439878637. OCLC 711041662 .
- Bunkier, Grant, 1954- (2010). Wprowadzenie do XAFS: praktyczny przewodnik po spektroskopii rentgenowskiej spektroskopii drobnych struktur absorpcyjnych . Cambridge: Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. Numer ISBN 9780511809194. OCLC 646816275 .CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )
- Teo, Boon K. (1986). EXAFS: Podstawowe zasady i analiza danych . Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. Numer ISBN 9783642500312. OCLC 851822691 .
- Absorpcja promieniowania rentgenowskiego: zasady, zastosowania, techniki EXAFS, SEXAFS i XANES . Koningsberger, DC, Prins, Roelof. Nowy Jork: Wiley. 1988. ISBN 0471875473. OCLC 14904784 .CS1 maint: inne ( link )
Rozdziały książki
- Kelly, SD; Hesterberg, D.; Ravel, B.; Ulery, kwiecień L.; Richard Drees, L. (2008). „Analiza gleb i minerałów z wykorzystaniem spektroskopii absorpcji promieniowania rentgenowskiego” (PDF) . Metody analizy gleby Część 5 . Seria książek SSSA . Amerykańskie Towarzystwo Nauki o Glebie. doi : 10.2136/sssabookser5.5.c14 . Numer ISBN 9780891188575. Źródło 2019-07-16 .
Dokumenty tożsamości
- Stern Edward A. (1 lutego 2001). „Rozmyślania o rozwoju XAFS” (PDF) . Czasopismo promieniowania synchrotronowego . Międzynarodowa Unia Krystalografii (IUCr). 8 (2): 49–54. doi : 10.1107/s0909049500014138 . ISSN 0909-0495 . PMID 11512825 .
- Rehr, JJ; Albers, RC (1 czerwca 2000). „Teoretyczne podejścia do struktury drobnej absorpcji promieniowania rentgenowskiego”. Recenzje fizyki współczesnej . Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne (APS). 72 (3): 621-654. Kod bib : 2000RvMP...72..621R . doi : 10.1103/revmodphys.72.621 . ISSN 0034-6861 .
- Filipponi, Adriano; Di Cicco, Andrea; Natoli, Calogero Renzo (1 listopada 1995). „Spektroskopia absorpcji promieniowania rentgenowskiego i funkcje dystrybucji n-ciała w materii skondensowanej. I. Teoria”. Przegląd fizyczny B . Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne (APS). 52 (21): 15122–15134. Kod bib : 1995PhRvB..5215122F . doi : 10.1103/physrevb.52.15122 . ISSN 0163-1829 . PMID 9980866 .
- de Groot, Frank (2001). „Spektroskopia rentgenowska o wysokiej rozdzielczości i absorpcji promieniowania rentgenowskiego”. Recenzje chemiczne . Amerykańskie Towarzystwo Chemiczne (ACS). 101 (6): 1779-1808. doi : 10.1021/cr9900681 . hdl : 1874/386323 . ISSN 0009-2665 . PMID 11709999 .
- FW Lytle, „Drzewo genealogiczne EXAFS: osobista historia rozwoju struktury drobnej absorpcji promieniowania rentgenowskiego” ,
- Sayers, Dale E.; Sterna, Edwarda A.; Lytle, Farrel W. (1 października 1971). „Nowa technika badania struktur niekrystalicznych: analiza Fouriera rozszerzonej struktury rentgenowskiej-absorpcji”. Fizyczne listy kontrolne . Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne (APS). 27 (18): 1204-1207. Kod bib : 1971PhRvL..27.1204S . doi : 10.1103/physrevlett.27.1204 . ISSN 0031-9007 .
- A. Kodre, I. Arcon, Proceedings of 36th International Conference on Microelectronics, Devices and Materials, MIDEM, Postojna, Słowenia, 28-20 października (2000), s. 191-196