xafs基础.ppt

XAFS基础中国科学院高能物理研究所同步辐射实验室谢亚宁1精选课件前言 对于XAFS的本质,是20世纪70年代才建立了正确的认识,形成了理论公式及结构参数的解析方法。高强度同步辐射光源的发展使XAFS方法发展成为一种实用的物质结构的分析方法;XAFS方法可以提供配位距离,配位数,近邻原子种类等吸收原子的近邻几何结构信息以及吸收原子的氧化态及配位化学(例如四面体,八面体的配位)等信息;XAFS方法对样品的形态要求不高,可用样品广泛,以上特点使XAFS方法备受重视,发展迅速;广泛应用于生物、环境、催化、材料、物理、化学、地学等学科领域。2精选课件X射线吸收精细结构谱(XAFS)基础§1XAFS理论基础X射线吸收与荧光XAFS原理§2XAFS实验实验要素及方法综述1W1B-XAFS光束线透射XAFS实验系统及实验要点LYTLE荧光电离室原理及实验要点固体阵列探测器原理及使用要点透射及荧光两种实验方法总结基于XAFS的相关实验方法§3XAFS谱的数据处理提取EXAFS信号Χ(k)拟合求取结构参数XANES的解释XAFS数据处理软件§4XAFS应用参考文献3精选课件§1XAFS理论基础4精选课件X射线通过光电效应被物质吸收吸收发生条件:入射光子能量hv大于原子某个特定内壳层束缚能E0吸收过程:入射光子则被吸收(湮灭)其能量E全部转移给该内壳层的一个电子,该电子被弹出该壳层,称为光电子。光电子具有动能E动=hv-E0原子内壳层形成电子空缺,原子处于激发态X射线吸收机制-微观过程X射线吸收与荧光5精选课件一束能量为E的单能X光束I0入射到厚度为t的样品,经过样品的吸收,出射光束的强度I;入射、出射光束的强度遵从关系:µ-吸收系数,表征X射线被样品吸收的几率;µ不是常量而是变量,与样品密度,原子序数(Z),原子质量(A),X射线能量相关(E)µ对组成样品的元素(Z)非常敏感,当元素确定,µ(E)~E,与能量之间的关系为一条单调下降的曲线,可用Victoreen公式描述:当能量等于原子内壳层K,L能级的束缚能时,µ值不连续,发生突跳,叫吸收边X射线吸收宏观现象6精选课件原子的激发态通常在吸收后数个飞秒内消失,这一过程称为退激发。退激发不影响X射线吸收过程。退激发有两种机制:X射线荧光发射及俄歇效应;X射线荧光发射:即能量较高的内壳层电子填补了较深层次的内壳层的空位,同时发射出特定能量的X射线,称为X射线荧光。荧光的能量是由原子种类以及电子跃迁的能级决定的。举例而言荧光发射机制(微观)及宏观现象样品受X射线激发,发射荧光。利用X射线能谱分析仪可以显示样品受激发产生的谱。特定元素发射的荧光在能谱上表现为一组能量确定的谱线。(散射峰是由物质对X射线的散射形成的)7精选课件俄歇效应:其中内壳层某个电子从较高的能级落到低能级后,同一能级的另一个电子被射入连续区;在大于2keV的硬X射线能区,X射线荧光发生的几率大于俄歇效应,但在较低能区,俄歇过程会占主导地位。无论是荧光或是俄歇电子发射,其强度都与该物质吸收的几率成正比,因而这两种过程都可以用于测量吸收系数μ,其中荧光方法更为常见。俄歇效应机制-微观过程8精选课件根据上述分析可知,应用透射模式或荧光模式,都可以测量吸收系数。透射测量模式,吸收系数为:由于荧光发射强度与该物质吸收的几率成正比,也即与吸收系数成正比,因而对于荧光测量模式,吸收系数可表示为:无论采用何种测量模式,通过测量相关的X射线的强度,即可获得吸收系数。由前述可知,吸收系数是光子能量的函数,用μ(E)表示。在不同的能量点采集X射线的强度,即可得到μ(E)曲线。吸收系数测量9精选课件XAFS在μ(E)曲线吸收边附近及其高能扩展段存在着一些分立的峰或波动起伏,称为X射线吸收精细结构(XAFS)其分布从吸收边前至吸收边后高能一侧约1000eV。实验表明,对于孤立的原子不存在EXAFS振荡,即吸收谱边前、边后呈单调变化。只有原子处于凝聚状态时才会发生EXAFS振荡。而且,以Fe、FeO、Fe2SO4的谱为例,其EXAFS振荡波形各不相同。由此得到一种合理的推测:以Fe元素为吸收原子的吸收谱,其EXAFS振荡波形与Fe元素周围的近邻环境(铁原子周边原子的配位距离,配位数,原子种类等)密切相关。推而广之,EXAFS振荡波形与待测元素周围的近邻环境密切相关。但对于长程有序还是短程有序未形成定论。经过半个多世纪的探索,对EXAFS现象给出了正确的理论解释形成了理论公式及结构参数的解析方法。XAFS测量就是针对样品中感兴趣元素的某个吸收边,通过调节单能X射线的能量扫描,同时应用透射测量模式或荧光测量模式采集相应的X射线强度,得到μ与能量之间的关系。不适用!10精选课件