Rozšířená rentgenová absorpční jemná struktura - Extended X-ray absorption fine structure

Tři oblasti dat XAS

Rozšířená rentgenová absorpční jemná struktura ( EXAFS ) je spolu s rentgenovou absorpční strukturou blízké hraně ( XANES ) podmnožinou rentgenové absorpční spektroskopie ( XAS ). Stejně jako ostatní absorpční spektroskopie se techniky XAS řídí Beerovým zákonem . Rentgenová absorpční koeficient z materiálu, jako funkce energie se získává za použití rentgenové paprsky v úzkém rozlišením energie jsou zaměřeny na vzorku a události a intenzita přenášené rentgenové je zaznamenán jako dopadající rentgenové energie je zvýšena .

Když dopadající rentgenový energie odpovídá vazební energii o o elektronu atomu ve vzorku, množství rentgenového záření absorbované vzorkem se dramaticky zvýší, což způsobuje pokles přenášených intenzity rentgenového záření. Výsledkem je absorpční hrana. Každý prvek má sadu jedinečných absorpčních hran, které odpovídají různým vazebným energiím jeho elektronů, což dává selektivitu prvku XAS. XAS spektra se nejčastěji shromažďují na synchrotronech, protože vysoká intenzita synchrotronových rentgenových zdrojů umožňuje, aby koncentrace absorbujícího prvku dosáhla až několika málo dílů na milion. Absorpce by byla nezjistitelná, pokud je zdroj příliš slabý. Protože rentgenové paprsky velmi pronikají, mohou být vzorky XAS plyny, pevné látky nebo kapaliny.

Pozadí

Spektra EXAFS jsou zobrazena jako grafy absorpčního koeficientu daného materiálu versus energie , obvykle v rozmezí 500 - 1 000 eV začínající před absorpční hranou prvku ve vzorku. Koeficient absorpce rentgenového záření je obvykle normalizován na jednotkovou výšku kroku. To se provádí regresí čáry do oblasti před a za absorpční hranou, odečtením linie před okrajem od celé sady dat a dělením výškou absorpčního kroku, která je určena rozdílem mezi hranou před a po hranové čáry na hodnotě E0 (na absorpční hraně).

Normalizovaná absorpční spektra se často nazývají XANES spektra. Tato spektra lze použít ke stanovení průměrného oxidačního stavu prvku ve vzorku. Spektra XANES jsou také citlivá na koordinační prostředí absorbujícího atomu ve vzorku. K porovnání XANES spekter neznámého vzorku s těmi známých „standardů“ byly použity metody otisku prstu. Lineární kombinační přizpůsobení několika různých standardních spekter může poskytnout odhad množství každého ze známých standardních spekter v neznámém vzorku.

Rentgenová absorpční spektra jsou vytvářena v rozmezí 200 - 35 000 eV. Dominantním fyzickým procesem je proces, při kterém absorbovaný foton vysune jádrový fotoelektron z absorbujícího atomu a zanechá za sebou jádrový otvor. Atom s jádrovým otvorem je nyní vzrušený. Energie vysunutého fotoelektronu se bude rovnat energii absorbovaného fotonu minus vazebná energie počátečního stavu jádra. Vysunutý fotoelektron interaguje s elektrony v okolních nevybuzených atomech.

Pokud se má za to, že vysunutý fotoelektron má vlnovou povahu a okolní atomy jsou popsány jako bodové rozptylovače, je možné si představit zpětně rozptýlené elektronové vlny interferující s dopředně se šířícími vlnami. Výsledný interferenční vzor se projeví jako modulace měřeného absorpčního koeficientu, což způsobí oscilaci ve spektrech EXAFS. Pro interpretaci spekter EXAFS se již mnoho let používá zjednodušená teorie s jediným rozptylem rovinných vln, ačkoli moderní metody (jako FEFF, GNXAS) ukázaly, že nelze opomenout korekce zakřivených vln a efekty vícenásobného rozptylu. Amplituda rozptylu fotelektronu v nízkoenergetickém rozsahu (5–200 eV) kinetické energie fotoelektronu je mnohem větší, takže ve spektrech XANES (nebo NEXAFS) se stávají dominantní četné události rozptylu .

Vlnová délka v photoelectron je závislá na energii a fáze zpětně odražených vln, které existuje v centrální atom. Vlnová délka se mění v závislosti na energii přicházejícího fotonu. Fáze a amplitudy v zpětně odražených vln jsou závislé na typu atomu dělá zpětného rozptylu a vzdálenost atomu zpětného rozptylu z centrálního atomu. Závislost rozptylu na atomových druzích umožňuje získat informace týkající se chemického koordinačního prostředí původního absorbujícího (centrálně excitovaného) atomu analýzou těchto dat EXAFS.

Experimentální úvahy

Vzhledem k tomu, EXAFS vyžaduje laditelnou rentgenového zdroje, data jsou vždy shromažďovány na synchrotrons , často na beamlines , které jsou speciálně optimalizovány pro tento účel. Užitečnost konkrétního synchrotronu ke studiu konkrétní pevné látky závisí na jasnosti toku rentgenového záření na absorpčních hranách příslušných prvků.

Aplikace

XAS je interdisciplinární technika a její jedinečné vlastnosti, ve srovnání s rentgenovou difrakcí, byly využity k pochopení podrobností místní struktury v:

Příklady

EXAFS je, stejně jako XANES , vysoce citlivá technika s elementární specificitou. Jako takový je EXAFS extrémně užitečným způsobem, jak určit chemický stav prakticky důležitých druhů, které se vyskytují ve velmi malém množství nebo koncentraci. Při častém používání EXAFS se vyskytuje v životním prostředí chemii , kde se vědci snaží pochopit šíření škodlivin prostřednictvím ekosystému . EXAFS lze použít spolu s hmotnostní spektrometrií urychlovače při forenzních zkouškách, zejména v aplikacích nešíření jaderných zbraní .

Dějiny

Velmi podrobný, vyvážený a informativní popis historie EXAFS (původně nazývaný Kosselovy struktury) podává R. Stumm von Bordwehr . Modernější a přesnější popis historie XAFS (EXAFS a XANES) uvádí vedoucí skupiny, která vyvinula moderní verzi EXAFS v přednášce o ceně Edwarda A. Sterna.

Viz také

Reference

Bibliografie

Knihy

  • Calvin, Scott. (2013-05-20). XAFS pro každého . Furst, Kirin Emlet. Boca Raton. ISBN 9781439878637. OCLC  711041662 .
  • Bunker, Grant, 1954- (2010). Úvod do XAFS: praktický průvodce spektroskopií jemné struktury absorpce rentgenových paprsků . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 9780511809194. OCLC  646816275 .CS1 maint: více jmen: seznam autorů ( odkaz )
  • Teo, Boon K. (1986). EXAFS: Základní principy a analýza dat . Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 9783642500312. OCLC  851822691 .
  • Rentgenová absorpce: principy, aplikace, techniky EXAFS, SEXAFS a XANES . Koningsberger, DC, Prins, Roelof. New York: Wiley. 1988. ISBN 0471875473. OCLC  14904784 .CS1 maint: others ( odkaz )

Knižní kapitoly

Doklady

externí odkazy