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扩展扩展 X X射线吸收精细结构射线吸收精细结构 Extended X-ray fine structure (EXAFS) Extended X-ray fine structure (EXAFS) 历史历史?? X X-射线是-射线是 Rontgen Rontgen 在在 1895 1895 年研究阴极射线时发现的,这年研究阴极射线时发现的,这是人们首次发现的一种短波长电磁波,或说高能粒子。是人们首次发现的一种短波长电磁波,或说高能粒子。?? 1912 1912 年, 年, Laue Laue 发现了发现了 X X射线衍射,这又是一个具有里程碑射线衍射,这又是一个具有里程碑作用的划时代的伟大发现。作用的划时代的伟大发现。??今天,在今天,在 X X射线衍射理论发展了射线衍射理论发展了 90 90 余年后,虽然出现了许余年后,虽然出现了许多其他研究物质内部结构的方法如电镜、核磁共振、分子多其他研究物质内部结构的方法如电镜、核磁共振、分子光谱等,但是重要性仍不减当年。光谱等,但是重要性仍不减当年。?? X X射线结构分析的方法自身也在发展。射线结构分析的方法自身也在发展。 20 20 世纪世纪 70 70 年代中期年代中期随着同步辐射的发展随着同步辐射的发展,X- ,X- 射线吸收精细结构光谱学的理论和射线吸收精细结构光谱学的理论和应用得到了长足的发展应用得到了长足的发展. .原理原理?? X X射线强度公式: 射线强度公式: I I= =I I 0 0e e -ux -ux I I 0 0是入射的光子数; 是入射的光子数; I I是经过吸收物是经过吸收物质后的出射光子数; 质后的出射光子数; u u是吸收物质是吸收物质的衰减系数,由于的衰减系数,由于 X X射线的衰减主射线的衰减主要由吸收引起,所以人们通常将它要由吸收引起,所以人们通常将它称为吸收系数; 称为吸收系数; x x是吸收物质的厚是吸收物质的厚度。度。??吸收系数是随入射吸收系数是随入射 X X射线波长的减小而降低的,但射线波长的减小而降低的,但在某些能量点会突然升高,发生跃迁,这就是所在某些能量点会突然升高,发生跃迁,这就是所谓的吸收边。这是因为在这些位置上的入射谓的吸收边。这是因为在这些位置上的入射 X X射线射线光子的能量正好等于或略高于吸收物质某些原子光子的能量正好等于或略高于吸收物质某些原子核外电子的电离能,因此电子就会大量吸收光子核外电子的电离能,因此电子就会大量吸收光子而被激发,从而使吸收系数突然剧增而形成阶跃而被激发,从而使吸收系数突然剧增而形成阶跃式的吸收边。这些吸收边能量与核外电子能级一式的吸收边。这些吸收边能量与核外电子能级一一对应,成为原子核外电子能量分立的有力佐证。一对应,成为原子核外电子能量分立的有力佐证。能量 kev ??吸收边的附近有一些分立的峰或起伏振荡吸收边的附近有一些分立的峰或起伏振荡, , 这现象被称为这现象被称为 X X射线吸收的精细结构射线吸收的精细结构. .??精细结构一般在于边前精细结构一般在于边前 10ev 10ev - - 1000ev 1000ev 。人。人们将吸收边后们将吸收边后 40ev 40ev - - 1000ev 1000ev 这段吸收光谱, 这段吸收光谱, 称为称为 EXAFS EXAFS 。。 EXAFS EXAFS 是电离光电子被吸收原是电离光电子被吸收原子周围的配位原子作单散射(散射一次) 子周围的配位原子作单散射(散射一次) 回到吸收原子与出射波干涉形成的,其特回到吸收原子与出射波干涉形成的,其特点是振幅不大,似正弦波动。点是振幅不大,似正弦波动。??由于当由于当 X X射线光子被原子吸收时,从原子射线光子被原子吸收时,从原子 K K 层射出光电子,形成如图实线所示的出射层射出光电子,形成如图实线所示的出射光电子波。如果吸收原子周围没有其它原光电子波。如果吸收原子周围没有其它原子,出射光电子波将远离吸收原子传播, 子,出射光电子波将远离吸收原子传播, 不会产生不会产生 EXAFS EXAFS 。如果吸收原子近邻有其它。如果吸收原子近邻有其它原子围绕,象在多原子分子气体或凝聚态原子围绕,象在多原子分子气体或凝聚态物质中那样,出射光电子波将受到周围原物质中那样,出射光电子波将受到周围原子的散射,产生如图虚线所示的背散射光子的散射,产生如图虚线所示的背散射光电子波,散射波与出射波在吸收原子处相电子波,散射波与出射波在吸收原子处相干涉。当吸收原子周围的环境一定时,改干涉。当吸收原子周围的环境一定时,改变变X X射线光子的能量,也就是改变光电子的射线光子的能量,也就是改变光电子的波长,出射和散射光电子波间的位相差随波长,出射和散射光电子波间的位相差随之变化,干涉的相消相长使吸收曲线出现之变