ساختار ریز جذب پرتو ایکس گسترده

بندانگشتی|440x440پیکسل|سه ناحیه از داده‌های XAS
**ساختار ظریف جذب اشعه ایکس توسعه‌یافته** ( **EXAFS** )، همراه با ساختار نزدیک لبه جذب اشعه ایکس ( XANES )، زیرمجموعه‌ای از طیف‌سنجی جذب اشعه ایکس ( XAS ) است. مانند سایر طیف‌سنجی‌های جذب ، تکنیک‌های XAS از قانون بیر پیروی می‌کنند. ضریب جذب اشعه ایکس یک ماده به عنوان تابعی از انرژی با هدایت اشعه ایکس با محدوده انرژی باریک به یک نمونه، ضمن ثبت شدت اشعه ایکس ورودی و عبوری، با افزایش انرژی اشعه ایکس ورودی، بدست می‌آید.

وقتی انرژی پرتو ایکس فرودی با انرژی پیوند الکترون یک اتم در نمونه برابر شود، تعداد پرتوهای ایکس جذب شده توسط نمونه به طور چشمگیری افزایش می‌یابد و باعث کاهش شدت پرتو ایکس عبوری می‌شود. این امر منجر به ایجاد لبه جذب می‌شود. هر عنصر مجموعه‌ای از لبه‌های جذب منحصر به فرد دارد که مربوط به انرژی‌های پیوند مختلف الکترون‌های آن است و به عنصر XAS گزینش‌پذیری می‌دهد. طیف‌های XAS اغلب در سینکروترون‌ها جمع‌آوری می‌شوند زیرا شدت بالای منابع پرتو ایکس سینکروترون اجازه می‌دهد غلظت عنصر جاذب به چند قسمت در میلیون برسد. اگر منبع خیلی ضعیف باشد، جذب غیرقابل تشخیص خواهد بود. از آنجا که پرتوهای ایکس بسیار نافذ هستند، نمونه‌های XAS می‌توانند گاز، جامد یا مایع باشند.

### پیشینه
طیف‌های EXAFS به صورت نمودارهایی از ضریب جذب یک ماده معین در مقابل انرژی ، معمولاً در محدوده ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ الکترون‌ولت که قبل از لبه جذب یک عنصر در نمونه شروع می‌شود، نمایش داده می‌شوند. ضریب جذب اشعه ایکس معمولاً به ارتفاع پله واحد نرمال می‌شود. این کار با رگرسیون یک خط به ناحیه قبل و بعد از لبه جذب، کم کردن خط پیش لبه از کل مجموعه داده‌ها و تقسیم بر ارتفاع پله جذب انجام می‌شود، که با تفاوت بین خطوط پیش لبه و پس لبه در مقدار E0 (روی لبه جذب) تعیین می‌شود.

طیف‌های جذبی نرمال‌شده اغلب طیف‌های XANES نامیده می‌شوند. از این طیف‌ها می‌توان برای تعیین میانگین حالت اکسیداسیون عنصر در نمونه استفاده کرد. طیف‌های XANES همچنین به محیط کئوردیناسیونی اتم جاذب در نمونه حساس هستند. از روش‌های انگشت‌نگاری برای تطبیق طیف‌های XANES یک نمونه ناشناخته با طیف‌های "استاندارد" شناخته‌شده استفاده شده است. برازش ترکیبی خطی چندین طیف استاندارد مختلف می‌تواند تخمینی از مقدار هر یک از طیف‌های استاندارد شناخته‌شده در یک نمونه ناشناخته ارائه دهد.

فرآیند فیزیکی غالب در جذب پرتو ایکس، فرآیندی است که در آن فوتون جذب شده، یک فوتوالکترون هسته را از اتم جاذب خارج می‌کند و یک حفره هسته باقی می‌گذارد.  انرژی فوتوالکترون خارج شده برابر با انرژی فوتون جذب شده مطیف‌های جذبی نرمال‌شده اغلب طیف‌های XANES نامیده می‌شوند. از این طیف‌ها می‌توان برای تعیین میانگین حالت اکسیداسیون عنصر در نمونه استفاده کرد. طیف‌های XANES همچنین به محیط کئوردیناسیونی اتم جاذب در نمونه حساس هستند. از روش‌های انگشت‌نگاری برای تطبیق طیف‌های XANES یک نمونه ناشناخته با طیف‌های "استاندارد" شناخته‌شده استفاده شده است. برازش ترکیبی خطی چندین طیف استاندارد مختلف می‌تواند تخمینی از مقدار هر یک از طیف‌های استاندارد شناخته‌شده در یک نمونه ناشناخته ارائه دهد.نهای انرژی پیوند حالت اولیه هسته خواهد بود. اتم دارای حفره هسته اکنون برانگیخته شده است و فوتوالکترون خارج شده با الکترون‌های اتم‌های غیر برانگیخته اطراف برهمکنش می‌کند.

گر فوتوالکترون خارج شده ماهیت موج مانند داشته باشد و اتم‌های اطراف به عنوان پراکنده‌کننده‌های نقطه‌ای توصیف شوند، می‌توان تصور کرد که امواج الکترونی برگشتی با امواج انتشار رو به جلو تداخل می‌کنند. الگوی تداخلی حاصل به صورت مدولاسیون ضریب جذب اندازه‌گیری شده ظاهر می‌شود و در نتیجه باعث نوسان در طیف‌های EXAFS می‌شود. سال‌هاست که از یک نظریه ساده‌شده تک پراکندگی موج تخت برای تفسیر طیف‌های EXAFS استفاده می‌شود، اگرچه روش‌های مدرن (مانند FEFF، GNXAS) نشان داده‌اند که تصحیحات موج منحنی و اثرات پراکندگی چندگانه را نمی‌توان نادیده گرفت. دامنه پراکندگی فوتوالکترون در محدوده انرژی پایین (5-200 eV) از انرژی جنبشی فوتوالکترون بسیار بزرگتر می‌شود، به طوری که رویدادهای پراکندگی چندگانه در طیف‌های XANES (یا NEXAFS) غالب می‌شوند.

طول موج فوتوالکترون به انرژی و فاز موج پراکندگی برگشتی که در اتم مرکزی وجود دارد، وابسته است. طول موج به عنوان تابعی از انرژی فوتون ورودی تغییر می‌کند. فاز و دامنه موج پراکندگی برگشتی به نوع اتمی که پراکندگی برگشتی انجام می‌دهد و فاصله اتم پراکندگی برگشتی از اتم مرکزی بستگی دارد. وابستگی پراکندگی به گونه‌های اتمی، امکان دستیابی به اطلاعات مربوط به محیط هماهنگی شیمیایی اتم جاذب (تحریک مرکزی) اصلی را با تجزیه و تحلیل این داده‌های EXAFS فراهم می‌کند.

### معادله EXAFS
بندانگشتی|350x350پیکسل|کارتونی از فرآیند پراکندگی فوتوالکترون.
اثر فوتوالکترون پس‌پراکنده بر طیف‌های جذبی توسط معادله EXAFS توصیف می‌شود که اولین بار توسط سایرز، استرن و لایتل نشان داده شد.  بخش نوسانی عنصر ماتریس دوقطبی به صورت زیر داده می‌شود: \chi(k) که در آن مجموع بیش از j مجموعه‌هایی از همسایه‌های اتم جاذب، N_j تعداد اتم‌ها در فاصله است R_j ، k عدد موج است و متناسب با انرژی است، \sigma ضریب ارتعاش حرارتی با \sigma_{j}^2 که میانگین مربع دامنه جابجایی‌های نسبی اتم است، \lambda(k) میانگین مسیر آزاد فوتوالکترون با تکانه است k (این مربوط به همدوسی حالت کوانتومی است)، و f_{j}(k) یک عامل پراکندگی وابسته به عنصر است.

\chi(k) = \sum_j\frac{N_j e^{-2k^2 \sigma^2_j} e^{-2R_j / \lambda_k} f_{j}(k)}{k R^2_j}\sin[2 k R_j + \delta_{j}(k)]

منشأ نوسانات در مقطع جذب به دلیل \sin عبارتی که شرط تداخل را تحمیل می‌کند و منجر به پیک‌هایی در جذب می‌شود، زمانی که طول موج فوتوالکترون برابر با کسر صحیحی از 2R_{j} (فاصله رفت و برگشت از اتم جاذب تا اتم پراکنده کننده). این مشابه ویژه حالت‌های ذره در مدل جعبه اسباب‌بازی است. \delta_{j} عامل درون \sin یک تغییر فاز وابسته به عنصر است.

### ملاحظات تجربی
از آنجایی که EXAFS به یک منبع پرتو ایکس قابل تنظیم نیاز دارد، داده‌ها اغلب در سینکروترون‌ها ، اغلب در خطوط پرتویی که به طور خاص برای این منظور بهینه شده‌اند، جمع‌آوری می‌شوند. کاربرد یک سینکروترون خاص برای مطالعه یک جامد خاص به روشنایی شار پرتو ایکس در لبه‌های جذب عناصر مربوطه بستگی دارد.

پیشرفت‌های اخیر در طراحی و کیفیت اپتیک کریستالی، امکان انجام برخی از اندازه‌گیری‌های EXAFS را در محیط آزمایشگاهی فراهم کرده است  ، که در آن منبع پرتو ایکس قابل تنظیم از طریق هندسه دایره رولند به دست می‌آید. در حالی که آزمایش‌هایی که نیاز به شار پرتو ایکس بالا یا محیط‌های نمونه تخصصی دارند، هنوز هم فقط در تأسیسات سینکروترون قابل انجام هستند، لبه‌های جذب در محدوده 5 تا 30 کیلوالکترون ولت برای مطالعات EXAFS مبتنی بر آزمایشگاه امکان‌پذیر است  .

### کاربردها
XAS یک تکنیک میان‌رشته‌ای است و خواص منحصر به فرد آن، در مقایسه با پراش پرتو ایکس، برای درک جزئیات ساختار موضعی در موارد زیر مورد استفاده قرار گرفته است:

* سیستم‌های شیشه‌ای ، آمورف و مایع
* محلول‌های جامد
* دوپینگ و کاشت یونی مواد برای الکترونیک
* اعوجاج‌های موضعی شبکه‌های کریستالی
* ترکیبات آلی فلزی
* متالوپروتئین‌ها
* خوشه‌های فلزی
* دینامیک ارتعاشی
* یون‌ها در محلول‌ها
* تجزیه و تحلیل گونه‌زایی شیمیایی

XAS اطلاعات تکمیلی پراش را در مورد ویژگی‌های خاص بی‌نظمی ساختاری و حرارتی موضعی در مواد کریستالی و چندجزئی ارائه می‌دهد.استفاده از شبیه‌سازی‌های اتمی مانند دینامیک مولکولی یا روش مونت کارلو معکوس می‌تواند به استخراج اطلاعات ساختاری غنی‌تر و قابل اعتمادتر کمک کند.

### مثال‌ها
EXAFS، مانند XANES ، یک تکنیک بسیار حساس با ویژگی عنصری است. به همین ترتیب، EXAFS روشی بسیار مفید برای تعیین وضعیت شیمیایی گونه‌های عملاً مهم است که در فراوانی یا غلظت بسیار کم وجود دارند. استفاده مکرر از EXAFS در شیمی محیط زیست رخ می‌دهد، جایی که دانشمندان سعی می‌کنند انتشار آلاینده‌ها را از طریق یک اکوسیستم درک کنند. EXAFS را می‌توان همراه با طیف‌سنجی جرمی شتاب‌دهنده در معاینات پزشکی قانونی ، به ویژه در کاربردهای عدم اشاعه هسته‌ای ، استفاده کرد.

### تاریخچه
شرحی بسیار دقیق، متوازن و آموزنده درباره تاریخچه EXAFS (که در ابتدا ساختارهای کوسل نامیده می‌شد) توسط آر. استام فون بوردور ارائه شده است.  شرحی مدرن‌تر و دقیق‌تر از تاریخچه XAFS (EXAFS و XANES) توسط رهبر گروهی که نسخه مدرن EXAFS را توسعه داده است، در یک سخنرانی اهدای جایزه توسط ادوارد ای. استرن ارائه شده است. 

### همچنین ببینید

* طیف‌سنجی جذب اشعه ایکس
* جذب اشعه ایکس در نزدیکی ساختار لبه
* ساختار ریز جذب اشعه ایکس با سطح گسترده

## منابع

https://en.wikipedia.org/wiki/Extended_X-ray_absorption_fine_structure

### کتابشناسی

#### کتاب‌ها

*  
* 
* 
* 

### مقالات

* 
* 
* 
* 
* F.W. Lytle, "The EXAFS family tree: a personal history of the development of extended X-ray absorption fine structure",
* 
* A. Kodre, I. Arčon, Proceedings of 36th International Conference on Microelectronics, Devices and Materials, MIDEM, Postojna, Slovenia, 
* October 28–20, (2000), p.&nbsp;191-196

### پیوندهای خارجی

* انجمن بین‌المللی جذب اشعه ایکس
* پروژه FEFF، دانشگاه واشنگتن، سیاتل، 
* پروژه GNXAS و آزمایشگاه XAS، دانشگاه دی کامرینو
* آزمایشگاه طیف‌سنجی EXAFS (ریگا، لتونی)
* وب‌سایت انجمن برای XAFS

رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر