吴自玉教授-1-XAFS谱简介

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1、X射线吸收谱学吴自玉Wuzy@ihep.ac.cn中科院高能物理所InstituteofHighEnergyPhysics2005-04-19中国科大，合肥XAFSSpectroscopyXAFSSpectroscopy1.Introduction2.XAFSTheorya)XANESb)EXAFS3.InterpretationofXAFS4.Relevantknowledge5.ApplicationsX射线与物质相互作用Pairproductionhν>1MeVPhotoelectricabsorptionhνhνTransmissio

2、nMATTERX-raysScatteringhhν'<νhνComptonThomsonDecayprocesseshνfFluorescenceAugerelectronsX射线的衰减106CuZ=29PhotoelectricabsorptionThomson103ScatteringObserveddataElectronpositronpairsCrosssection(barns/atom)1PhotonuclearComptonabsorptionScattering10eV1KeV1MeV1GeVEnergyX射线的吸收X射线

3、吸收曲线的特征随着入射光子能量的增加，总的吸收系数在减小。在特定的能量点，吸收系数会阶梯函数式的急剧增加，这个能量点称为吸收边。吸收边之后，出现会出现一系列的摆动或者振荡，这种小结构一般为吸收截面的百分之几。X射线吸收曲线的特征第一个特征就是众所周知Ionisationthreshold的原子对X射线的吸收现3s2pL象，它是光滑且单调下降3/232p1/2L2的曲线，为吸收本底。X-ray2sL11sK第二个特征的能量位置对于给定的吸收原子是独一无二的；源于内壳层电子的激发能量，入射光子激发原子芯能级电子跃迁到自由态或空态。最后一个特征即所

4、谓的XAFS曲线，它包含着分子或者凝聚体系的结构信息。原子的X射线吸收谱对于分子和凝聚态体系，XAFS振荡不过是在原子吸收截面上叠加由于光电子被配位原子散射而导致的调制信号。图中所示为气态和固态Ar的L2和L3边吸收谱。原子的X射线吸收谱凝聚体系的X射线吸收谱对于晶体、绝缘体等凝聚物质，吸收谱的形状相当的复杂，在电离阈30~50eV以上的能量区域吸收谱还呈现出很强的振荡。XANES和EXAFSEXAFS：吸收边后约50eV到1000eV。XANES还可分为两部份：边前结构（边前区到吸收边后8eV）和XANES（8eV到50eV）-边前结构给出

5、原子的d-轨道电子态信息-吸收边的位置和形状与金属的价态和几何结构有关-近边吸收谱结构依赖于高层配位离子状态-近边吸收谱的定量拟合能提供亚原子分辨率结构吸收边的位置关于吸收边的界定，一直以来就很混乱；据文献记载，至少有下面三种这样的定义：•“吸收阈”定义为将芯能级中的电子激发到最低的空能级的能量；•“吸收边”定义在吸收系数刚好等于原子吸收曲线的半高处；•“吸收边”被定义为“连续阈”或者“电离阈”，即指光电子被激发到连续态的能量位置，或者说原子和分子中的真空能级，金属中的费米能级以及绝缘体中的导带底位置。吸收边的位置•通常情况下，吸收边位于曲线

6、开始上升的位置，即拐点；•在数学上，这个拐点位于吸收曲线上升部分的一级微商的极大值处；•对于复杂的K边吸收曲线，这种曲线在吸收上升部存在多个拐点，我们将吸收边定义在吸收峰的半高位置，而不是吸收曲线的第一个拐点；•吸收曲线的第一个拐点称为吸收阈，相应于内能级电子向最低允许的空态的跃迁。XANES和EXAFSEXAFS是电离光电子被吸收原子周围的配位原子作单散射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。XANES是由低能光电子在配位原子做多次散射后再回到吸收原子与出射波发生干涉形成的，其特点是强振荡。XANES和EXAFS对于

7、分子，当光电子的波长大于分子的原子间距离时，或者光电子的波矢满足k

8、结构信息。利用XANES谱的指纹效应，很容易定性地判断吸收原子周围的局域结构。完全解释XANES谱的特征是很困难的，从XANES谱定量地得到吸收原子周围的局域结构信