擴展X射線吸收精細結構

從吸收邊以上30~50電子伏特一直擴展到1000電子伏特範圍內的吸收係數振盪。英文縮寫EXAFS。

簡史

 20世紀30年代已在實驗中發現EXAFS的存在,但直到70年代初才有了正確的理論解釋。E.A.斯特恩等人在這方面進行了開創性的工作,確認了EXAFS主要來自吸收原子周圍近鄰原子的貢獻,並將它發展成為研究物質結構的方法。1974年以後,同步輻射強X射線源的出現,大大推動了這一方法的發展和使用。

原理

 當X射線透過物質時,強度發生衰減,若入射X射線強度為I0,物質的線吸收係數為μ,厚度為d,則衰減後的強度I=I0e-μd。吸收係數 μ與入射 X射線的能量有關。在某些能量處,μ值會發生突變,這是由於原子內層電子被 X射線光子激發到外部連續空能級的光電吸收而引起的。吸收係數的這種突變叫做吸收邊。在吸收邊高能一側,吸收係數並不是單調變化的,而是呈現某種隨能量起伏的精細結構。吸收邊附近的部分,稱為近邊結構。
由於原子光電吸收的光電子波向外傳播時遇到周圍其他原子的散射,這種出射波與散射波相干涉,在某些能量處相互增強,形成波峰,在某些能量處相互減弱,形成波谷,使光電吸收的幾率發生變化,即引起吸收係數的振盪,這就產生了EXAFS。除單原子氣體之外的物質,一般都可觀測到EXAFS。
大部分EXAFS測量工作用同步輻射X射線進行,以取得好的信噪比和高的能量解析度,並可測量含量很低的原子的EXAFS譜。利用高功率轉靶X射線源或附加彎晶聚焦裝置,也可測得較好的EXAFS數據。但一般說來,同步輻射EXAFS的數據質量要好得多,測量時間也短得多。

套用

  EXAFS的產生與吸收原子及其周圍其他原子的散射有關,即都與結構有關。因而可通過測量EXAFS來研究吸收原子周圍的近鄰結構,得到原子間距、配位數、原子均方位移等參量。 EXAFS方法的特點主要是可以對不同種類原子分別進行測量,給出指定元素原子的近鄰結構,也可區分近鄰原子的種類。利用強X射線源還可研究含量很少的原子的近鄰結構狀況,而且無論對於有序物質或無序物質均可進行研究。這樣,EXAFS就能用於解決一些其他方法難以或不能解決的物質結構問題,引起了物理、化學、生物、材料科學等學科從事物質結構研究工作的人們的重視。在生化體系、催化劑、非晶態物質、溶液體系、聚合物等結構研究方面起了很大的作用。用此方法測量原子間距的精度一般為0.01埃,配位數和原子均方位移的相對誤差約為10%。
在EXAFS原理基礎上發展起來一些相關技術,如探測俄歇電子的表面EXAFS方法,可用於研究表面原子結構;電子能量損失EXAFS譜,用於探測輕元素的原子近鄰結構。

配圖

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