ساختار ریز جذب اشعه ایکس

بندانگشتی|440x440پیکسل|سه ناحیه از داده‌های XAS

ساختار ریز جذب پرتو ایکس (XAFS) یک ساختار خاص است که در طیف‌سنجی جذب پرتو ایکس (XAS) مشاهده می‌شود. با تحلیل XAFS، می‌توان اطلاعاتی در مورد ساختار موضعی و حالت‌های الکترونیکی موضعی اشغال نشده به دست آورد.

 طیف‌های اتمی 
طیف جذب پرتو ایکس اتمی (XAS) یک تراز هسته در یک اتم جاذب، به حالت‌هایی در بخش گسسته طیف به نام «حالت‌های نهایی مرزی» یا «حالت‌های ریدبرگ» در زیر پتانسیل یونش (IP) و «حالت‌های در پیوستار» در بخش بالای پتانسیل یونش به دلیل برانگیختگی‌های فوتوالکترون در خلاء تقسیم می‌شود. بالای IP، سطح مقطع جذب به تدریج با انرژی پرتو ایکس تضعیف می‌شود. پس از کارهای تجربی و نظری اولیه در دهه سی، در دهه شصت با استفاده از تابش سینکروترون در دفتر ملی استانداردها مشخص شد که پیک‌های جذب نامتقارن گسترده به دلیل تشدیدهای فانو در بالای پتانسیل یونش اتمی هستند که در آن حالت‌های نهایی، بسیاری از حالت‌های شبه‌محدود جسم (یعنی یک اتم با برانگیختگی مضاعف) هستند که با پیوستار منحط می‌شوند.

 طیف‌های مولکول‌ها و ماده چگال 
طیف‌های XAS ماده چگال معمولاً به سه ناحیه انرژی تقسیم می‌شوند:

ناحیه لبه

ناحیه لبه معمولاً در محدوده‌ای در حدود چند الکترون‌ولت در اطراف لبه جذب امتداد می‌یابد. ویژگی‌های طیفی در ناحیه لبه عبارتند از: i) در فلزات خوب، برانگیختگی‌هایی به حالت‌های نهایی غیرمستقر بالاتر از سطح فرمی هستند؛ ii) در عایق‌ها، اکسایتون‌های هسته زیر پتانسیل یونش هستند؛ iii) در مولکول‌ها، گذارهای الکترونیکی به اولین سطوح مولکولی اشغال نشده بالاتر از پتانسیل شیمیایی در حالت‌های اولیه هستند که توسط برهمکنش کولمب با سوراخ هسته به بخش گسسته طیف جذب هسته منتقل می‌شوند. برانگیختگی‌های چند الکترونی و برهمکنش پیکربندی بین بسیاری از حالت‌های نهایی جسم، ناحیه لبه را در فلزات و عایق‌های با همبستگی قوی تحت سلطه خود دارند. سال‌های زیادی ناحیه لبه به عنوان «ساختار کوسل» شناخته می‌شد، اما اکنون به عنوان «ناحیه لبه جذب» شناخته می‌شود، زیرا ساختار کوسل فقط به حالت‌های نهایی مولکولی اشغال نشده اشاره دارد که توصیف صحیحی فقط برای چند مورد خاص است: مولکول‌ها و سیستم‌های به شدت بی‌نظم
بندانگشتی|ساختار جذب نزدیک به لبه
جذب پرتو ایکس در نزدیکی ساختار لبه
بندانگشتی|فرآیندهای اساسی که در طیف‌های اِکس‌اَنس نقش دارند: ۱) جذب نوری یک پرتو ایکس به درون یک تراز هسته و به دنبال آن گسیل فوتوالکترون، و به دنبال آن ۲) (چپ) پر شدن حفره هسته توسط یک الکترون در تراز دیگر، همراه با فلورسانس؛ یا (راست) پر شدن حفره هسته توسط یک الکترون در تراز دیگر و به دنبال آن گسیل یک الکترون اوژه.
بندانگشتی|نمای تصویری از فرآیندهای پراکندگی فوتوالکترون در رژیم پراکندگی تکی، EXAFS 
ناحیه انرژی اِکس‌اَنسD. C. Koningsberger, R. Prins (eds) A. Bianconi "X-ray absorption: Principles, applications, techniques of EXAFS, SEXAFS and XANES" (Chemical Analysis 92), Wiley, New York (1988) pp 573-662 بین ناحیه لبه و ناحیه (EXAFS) در محدوده انرژی ۵۰ تا ۱۰۰ الکترون‌ولت در اطراف آستانه جذب پرتو ایکس سطح هسته امتداد دارد. قبل از سال ۱۹۸۰، ناحیه اِکس‌اَنس به اشتباه به حالت‌های نهایی مختلفی نسبت داده می‌شد: الف) چگالی کل حالت‌های اشغال نشده، یا ب) اوربیتال‌های مولکولی اشغال نشده (ساختار کوسل) یا ج) اوربیتال‌های اتمی اشغال نشده یا د) نوسانات ئی‌اِکس‌اَفس با انرژی کم. در دهه هفتاد، با استفاده از تابش سینکروترون در منابع سینکروترون فراسکاتی و استنفورد، به صورت تجربی نشان داده شد که ویژگی‌های موجود در این ناحیه انرژی به دلیل تشدیدهای پراکندگی چندگانه فوتوالکترون در یک نانوخوشه با اندازه متغیر است. آنتونیو بیانکونی در سال ۱۹۸۰ مخفف اِکس‌اَنس را برای نشان دادن ناحیه طیفی تحت سلطه تشدیدهای پراکندگی چندگانه فوتوالکترون در محدوده پرتو ایکس نرم و در محدوده پرتو ایکس سخت اختراع کرد. در محدوده انرژی اِکس‌اَنس، انرژی جنبشی فوتوالکترون در حالت نهایی بین چند الکترون‌ولت و ۵۰–۱۰۰ الکترون‌ولت است. در این رژیم، فوتوالکترون دامنه پراکندگی قوی توسط اتم‌های همسایه در مولکول‌ها و ماده چگال دارد، طول موج آن بزرگتر از فواصل بین اتمی است، میانگین مسیر آزاد آن می‌تواند کوچکتر از یک نانومتر باشد و در نهایت طول عمر حالت برانگیخته در حد فمتوثانیه است. ویژگی‌های طیفی اِکس‌اَنس توسط نظریه پراکندگی چندگانه کامل که در اوایل دهه هفتاد ارائه شد، توصیف می‌شوند. بنابراین، گام کلیدی برای تفسیر اِکس‌اَنس تعیین اندازه خوشه اتمی اتم‌های همسایه است، جایی که حالت‌های نهایی محدود می‌شوند، که می‌تواند در سیستم‌های مختلف از ۰٫۲ نانومتر تا ۲ نانومتر باشد. این ناحیه انرژی بعداً (در سال ۱۹۸۲) ساختار ریز جذب پرتو ایکس نزدیک به لبه (نِکس‌اَفس) نیز نامیده شد که مترادف با اِکس‌اَنس است. در طول بیش از ۲۰ سال، تفسیر اِکس‌اَنس مورد بحث بوده است، اما اخیراً توافقی وجود دارد که حالت‌های نهایی «تشدیدهای پراکندگی چندگانه» هستند و بسیاری از حالت‌های نهایی جسم نقش مهمی ایفا می‌کنند.

ناحیه میانی

یک ناحیه میانی بین نواحی اِکس‌اَنس و ئی‌اِکس‌اَفس وجود دارد که در آن توابع توزیع n-جسمی پایین نقش کلیدی ایفا می‌کنند.

ساختار ریز جذب پرتو ایکس گسترده

ساختار نوسانی که تا صدها الکترون ولت از لبه‌ها امتداد داشت، به نام دانشمند رالف کرونیگ، «ساختار کرونیگ» نامیده شد. او این ساختار را در محدوده انرژی بالا (یعنی برای محدوده انرژی جنبشی - بزرگتر از ۱۰۰ الکترون ولت - فوتوالکترون در رژیم پراکندگی ضعیف) به پراکندگی منفرد فوتوالکترون برانگیخته توسط اتم‌های همسایه در مولکول‌ها و ماده چگال نسبت داد.X-ray Absorption: principles, applications and techniques of EXAFS, SEXAFS and XANES, edited by D.C. Koeningsberger, R. Prins, John Wiley & Sons 1988.Principles and Applications of EXAFS, Chapter 10 in Handbook of Synchrotron Radiation, pp 995–1014. E. A. Stern and S. M. Heald, E. E. Koch, ed. , North-Holland, 1983.B. -K. Teo, EXAFS: basic principles and data analysis, Springer 1986 این رژیم در سال ۱۹۷۱ توسط سایرز، استرن و لایتل ئی‌اِکس‌اَفس نامیده شد. و تنها پس از استفاده از منابع تابش سینکروترون شدید توسعه یافت.

 کاربردهای طیف‌سنجی جذبی پرتو ایکس 
طیف‌سنجی لبه جذب پرتو ایکس مربوط به گذار از یک سطح هسته به یک اوربیتال یا نوار اشغال نشده است و عمدتاً حالت‌های اشغال نشده الکترونیکی را منعکس می‌کند. ئی‌اِکس‌اَفس، که ناشی از تداخل در فرایند پراکندگی تک فوتوالکترون پراکنده شده توسط اتم‌های اطراف است، اطلاعاتی در مورد ساختار محلی ارائه می‌دهد. اطلاعات مربوط به هندسه ساختار محلی با تجزیه و تحلیل پیک‌های پراکندگی چندگانه در طیف‌های اِکس‌اَنس ارائه می‌شود. مخفف XAFS بعداً برای نشان دادن مجموع طیف‌های اِکس‌اَنس و ئی‌اِکس‌اَفس معرفی شده است.

 جستارهای وابسته 
 اس‌ئی‌اِکس‌اَفس
 ئی‌اِکس‌اَفس
 اِکس‌اَنس

 منابع 

 جستارهای وابسته 

 Nave, R. , "Wave-Particle Duality". HyperPhysics.
 M. Newville, Fundamentals of XAFS
 S. Bare, XANES measurements and interpretation
 B. Ravel, A practical introduction to multiple scattering

رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر