X射线吸收光谱-福建教案.pptVIP

X射线吸收精细结构光谱(XAFS)及其在土壤与环境研究中的应用 刘 凡 华中农业大学资源与环境学院 Tel: Email: liufan@mail.hzau.edu.cn 2014年12月 　　　;主要内容;．同步辐射 “辐射”一词通常指电磁辐射，是由发射体产生的电磁波在空气或介质中的传播过程。这里所谓的同步辐射来自于电子环形加速器，发射体是在环形轨道上作循环运动的电子束团。当电子束团经过弯转磁铁时，沿轨道的切线方向产生电磁辐射。 同步辐射不只在电子环形加速器中产生，理论物理学家早就指出“带电粒子在作曲线运动时产生电磁辐射”。 ;ANL-APS Chicago, Ill. USA;;ESRF Grenoble, France;同步辐射—北京正负电子对撞机;中国科大同步辐射实验室;中科大同步辐射实验室;上海同步辐射光源;光与物质的相互作用 ;X射线吸收; 物质对X射线的吸收具有原子特征。X射线吸收精细结构光谱(X-ray absorption fine structure, XAFS)是一种基于同步辐射光源的分析方法。它测量的基本物理量为X射线质量吸收系数μ(E)。 ; 假设有一束单色X光入射到一片铜箔上，逐渐提高X射光子的能量，当达到铜原子的某个能级时，光子就会被Cu原子共振吸收，形成吸收系数的突变——吸收边。 由K壳层电子被激发而形成的吸收边称为K吸收边，L壳层电子被激发而形成的吸收边称L吸收边。 由于L层电子可以分成三种能量态，所以L边又分为LI，LII和LIII边（2S电子跃迁形成LI边，2p对应的2p1/2和2p3/2两种组态的跃迁形成LII和 LIII边）。 ; 如果以足够小的能量步长，仔细测量吸收边附近铜的吸收谱，会发现Cu的吸收系数在吸收边高能侧，随着光子能量的增加并不单调下降，而是有振荡。 这种振荡——X光吸收谱的精细结构（XAFS） ;通常将XAFS谱分为两区域： (1) X射线吸收近边结构——在吸收边之上50eV之内（X—ray Absorption Near Edge Structure ，XANES） (2)扩展X射线吸收精细结构——吸收边之上50eV以上的区域(Extended X-ray Absorption Fine Structure EXAFS) (50--1000eV); 虽然Kossol早在1920年就指出精细结构的出现与吸收原子，内层电子的激发相关，但对EXAFS谱的正确理论解释在几乎50年后才确定下来——与配位化学理论相关。 由于XANES谱包含了极其丰富的物质结构信息，以致于对它的理论解释直到现在还不甚完善。 ;二、为什么会出现振荡——物理原理 在XAFS谱区，原子吸收X光子后，其电子将被激发到自由电子态，成为自由电子——光电子，这种自由态对应于一个以该原子向外传播的球面波，当该原子周围有其它原子存在时，向外传播的球面波遇到这些原子后，就会反射形成反射波，反射波与原来的球面波发生干涉使最终的自由电子状态波函数的振幅和位相与原球面波及反射波的振幅和位相有关，所以，当原子周围有其它原子时，周围原子的存在将对该原子光电子的状态进行调制。 ; 反射波的位相是初始波波长的函数，所以对不同能量的X光光子，反射波和初始波的位相差就不同。即： ——对某个能量的X光光子，两波位相相同，干涉相长，吸收系数达到极大。 ——对另一个能量的X光光子，两波位相相反，干涉相消，吸收系数达到极小。 也就是说，周围原子的存在对电子未态的调制会造成吸收系数随X光子能量的变化而发生振荡。 ;四、EXAFS现象的用途 EXAFS谱与周围原子的存在形式，即周围原子对自由电子态的调制与下列因素有关： 1. 周围原子与吸收X光子原子的距离。 距离不同，反射波与初始波的位相差不同，且此位相差与间距和波长的乘积成正比，所以以波矢为自变量的EXAFS振荡频率就与此间距离成正比。; 2. 周围原子的个数。 个数不同，反射波的强度不同，造成EXAFS