Erweiterte Röntgenabsorption Feinstruktur - Extended X-ray absorption fine structure

Drei Regionen von XAS-Daten

Erweiterte Röntgenabsorptions-Feinstruktur ( EXAFS ) ist zusammen mit Röntgenabsorptions-Nahkantenstruktur ( XANES ) eine Teilmenge der Röntgenabsorptionsspektroskopie ( XAS ). Wie andere Absorptionsspektroskopien folgen XAS-Techniken dem Beerschen Gesetz . Der Röntgenabsorptionskoeffizient eines Materials als eine Funktion der Energie erhalten wird unter Verwendung von Röntgenstrahlen mit einer schmalen Energieauflösung bei einer Probe und dem einfallenden und durchgelassenen Röntgenstrahlintensität wird als die einfallende Röntgenstrahlungsenergie aufgezeichnet gerichtet wird inkrementiert .

Wenn die einfallende Röntgenstrahlungsenergie mit der Bindungsenergie eines Elektrons eines Atoms in der Probe übereinstimmt , nimmt die Anzahl der von der Probe absorbierten Röntgenstrahlen dramatisch zu, was zu einem Abfall der durchgelassenen Röntgenstrahlungsintensität führt. Dadurch entsteht eine Absorptionskante. Jedes Element hat einen Satz einzigartiger Absorptionskanten, die den unterschiedlichen Bindungsenergien seiner Elektronen entsprechen, was eine XAS-Elementselektivität ergibt. XAS-Spektren werden am häufigsten an Synchrotronen gesammelt, da die hohe Intensität der Synchrotron-Röntgenquellen es ermöglicht, dass die Konzentration des absorbierenden Elements nur wenige Teile pro Million erreicht. Absorption wäre nicht nachweisbar, wenn die Quelle zu schwach ist. Da Röntgenstrahlen stark durchdringend sind, können XAS-Proben Gase, Feststoffe oder Flüssigkeiten sein.

Hintergrund

EXAFS- Spektren werden als Diagramme des Absorptionskoeffizienten eines gegebenen Materials gegen die Energie angezeigt , typischerweise in einem Bereich von 500 – 1000 eV , beginnend vor einer Absorptionskante eines Elements in der Probe. Der Röntgenabsorptionskoeffizient wird normalerweise auf die Einheitsstufenhöhe normiert. Dazu wird eine Linie auf den Bereich vor und nach der Absorptionskante regressiert, die Vorkantenlinie vom gesamten Datensatz abgezogen und durch die Absorptionsstufenhöhe dividiert, die durch die Differenz zwischen Vor- und Nachkante bestimmt wird. Kantenlinien beim Wert von E0 (auf der Absorptionskante).

Die normierten Absorptionsspektren werden oft als XANES- Spektren bezeichnet. Diese Spektren können verwendet werden, um den durchschnittlichen Oxidationszustand des Elements in der Probe zu bestimmen. Die XANES-Spektren sind auch empfindlich gegenüber der Koordinationsumgebung des absorbierenden Atoms in der Probe. Fingerdruckverfahren wurden verwendet, um die XANES-Spektren einer unbekannten Probe mit denen bekannter "Standards" abzugleichen. Die Linearkombinationsanpassung mehrerer verschiedener Standardspektren kann eine Schätzung der Menge jedes der bekannten Standardspektren innerhalb einer unbekannten Probe liefern.

Röntgenabsorptionsspektren werden im Bereich von 200 – 35.000 eV erzeugt. Der vorherrschende physikalische Prozess ist einer, bei dem das absorbierte Photon ein Kern- Photoelektron aus dem absorbierenden Atom ausstößt und ein Kernloch hinterlässt. Das Atom mit dem Kernloch wird nun angeregt. Die Energie des ausgestoßenen Photoelektrons ist gleich der des absorbierten Photons minus der Bindungsenergie des ursprünglichen Kernzustands. Das ausgestoßene Photoelektron wechselwirkt mit Elektronen in den umgebenden nicht angeregten Atomen.

Nimmt man an, dass das ausgestoßene Photoelektron wellenförmig ist und die umgebenden Atome als Punktstreuer bezeichnet werden, kann man sich vorstellen, dass die zurückgestreuten Elektronenwellen die vorwärts ausbreitenden Wellen interferieren. Das resultierende Interferenzmuster zeigt sich als Modulation des gemessenen Absorptionskoeffizienten und verursacht dadurch die Oszillation in den EXAFS-Spektren. Für die Interpretation von EXAFS-Spektren wird seit vielen Jahren eine vereinfachte Planwellen-Einfachstreuungstheorie verwendet, obwohl moderne Methoden (wie FEFF, GNXAS) gezeigt haben, dass gekrümmte Wellenkorrekturen und Mehrfachstreuungseffekte nicht vernachlässigt werden können. Die Photelektron-Streuamplitude im niederenergetischen Bereich (5-200 eV) der kinetischen Energie des Photoelektrons wird viel größer, so dass mehrere Streuereignisse in den XANES- (oder NEXAFS-)Spektren dominant werden.

Die Wellenlänge des Photoelektrons hängt von der Energie und Phase der zurückgestreuten Welle am Zentralatom ab. Die Wellenlänge ändert sich als Funktion der Energie des einfallenden Photons. Die Phase und Amplitude der rückgestreuten Welle ist von der Art des Atoms abhängige das Rückstreu und den Abstand des Rückstreuatoms aus dem Zentralatom tun. Die Abhängigkeit der Streuung von Atomspezies ermöglicht es, durch Analyse dieser EXAFS-Daten Informationen über die chemische Koordinationsumgebung des ursprünglich absorbierenden (zentral angeregten) Atoms zu erhalten.

Experimentelle Überlegungen

Da EXAFS eine abstimmbare Röntgenquelle erfordert, werden die Daten immer an gesammelt Synchrotrons , oft auf Strahlrohre , die zum Zweck besonders optimiert sind. Die Nützlichkeit eines bestimmten Synchrotrons zur Untersuchung eines bestimmten Festkörpers hängt von der Helligkeit des Röntgenflusses an den Absorptionskanten der relevanten Elemente ab.

Anwendungen

XAS ist eine interdisziplinäre Technik und ihre einzigartigen Eigenschaften im Vergleich zur Röntgenbeugung wurden genutzt, um die Details der lokalen Struktur zu verstehen in:

Beispiele

EXAFS ist wie XANES eine hochsensitive Technik mit elementarer Spezifität. Als solches ist EXAFS eine äußerst nützliche Methode, um den chemischen Zustand praktisch wichtiger Spezies zu bestimmen, die in sehr geringer Häufigkeit oder Konzentration vorkommen. EXAFS kommt häufig in der Umweltchemie zum Einsatz , wo Wissenschaftler versuchen, die Ausbreitung von Schadstoffen durch ein Ökosystem zu verstehen . EXAFS kann zusammen mit Beschleuniger-Massenspektrometrie bei forensischen Untersuchungen verwendet werden, insbesondere bei Anwendungen zur Nichtverbreitung von Kernwaffen .

Geschichte

Einen sehr ausführlichen, ausgewogenen und informativen Bericht über die Geschichte von EXAFS (ursprünglich Kossel-Strukturen genannt) gibt R. Stumm von Bordwehr . Eine modernere und genauere Darstellung der Geschichte von XAFS (EXAFS und XANES) gibt der Leiter der Gruppe, die die moderne Version von EXAFS entwickelt hat, in einem Preisvortrag von Edward A. Stern.

Siehe auch

Verweise

Literaturverzeichnis

Bücher

  • Calvin, Scott. (2013-05-20). XAFS für alle . Fürst, Kirin Emlet. Boca Raton. ISBN 9781439878637. OCLC  711041662 .
  • Bunker, Grant, 1954- (2010). Einführung in XAFS: ein praktischer Leitfaden zur Röntgenabsorptions-Feinstrukturspektroskopie . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 9780511809194. OCLC  646816275 .CS1-Wartung: mehrere Namen: Autorenliste ( Link )
  • Teo, Boon K. (1986). EXAFS: Grundlagen und Datenanalyse . Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 9783642500312. OCLC  851822691 .
  • Röntgenabsorption: Prinzipien, Anwendungen, Techniken von EXAFS, SEXAFS und XANES . Koningsberger, DC, Prins, Roelof. New York: Wiley. 1988. ISBN 0471875473. OCLC  14904784 .CS1 Wartung: andere ( Link )

Buchkapitel

Papiere

Externe Links