Rozpraszanie ramanowskie promieniowania rentgenowskiego

Rozpraszanie ramanowskie promieniowania rentgenowskiego ( XRS) to nierezonansowe nieelastyczne rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego z elektronów w rdzeniu . Jest to analogiczne do wibracyjnego rozpraszania Ramana , które jest szeroko stosowanym narzędziem w spektroskopii optycznej, z tą różnicą, że długości fal ekscytujących fotonów mieszczą się w reżimie rentgenowskim, a odpowiadające im wzbudzenia pochodzą z głębokich elektronów rdzeniowych.

XRS to specyficzne dla pierwiastków narzędzie spektroskopowe do badania struktury elektronowej materii . W szczególności bada gęstość stanów wzbudzonych (DOS) gatunku atomowego w próbce.

Opis

XRS to nieelastyczny proces rozpraszania promieniowania rentgenowskiego , w którym wysokoenergetyczny foton rentgenowski przekazuje energię elektronowi w rdzeniu, wzbudzając go do stanu wolnego. Proces ten jest w zasadzie analogiczny do absorpcji promieniowania rentgenowskiego (XAS), ale transfer energii odgrywa rolę energii fotonu promieniowania rentgenowskiego pochłoniętego w absorpcji promieniowania rentgenowskiego, dokładnie tak, jak w przypadku rozpraszania ramanowskiego w optyce niskoenergetyczne wzbudzenia oscylacyjne mogą być obserwowane przez badanie widma światła rozproszonego z cząsteczki.

Ponieważ energia (a tym samym długość fali) sondującego promieniowania rentgenowskiego może być wybrana dowolnie i zwykle mieści się w reżimie twardego promieniowania rentgenowskiego, pokonywane są pewne ograniczenia miękkiego promieniowania rentgenowskiego w badaniach struktury elektronowej materiału. Na przykład badania miękkiego promieniowania rentgenowskiego mogą być wrażliwe na powierzchnię i wymagają środowiska próżniowego. Uniemożliwia to badanie wielu substancji, takich jak liczne ciecze, przy użyciu absorpcji miękkiego promieniowania rentgenowskiego. Jednym z najbardziej znaczących zastosowań, w których rozpraszanie ramanowskie promieniowania rentgenowskiego przewyższa absorpcję miękkiego promieniowania rentgenowskiego, jest badanie krawędzi absorpcji miękkiego promieniowania rentgenowskiego pod wysokim ciśnieniem . Podczas gdy wysokoenergetyczne promienie rentgenowskie mogą przechodzić przez aparaturę wysokociśnieniową, taką jak komórka z kowadłem diamentowym, i docierać do próbki wewnątrz komórki, miękkie promienie rentgenowskie byłyby pochłaniane przez samą komórkę.

Historia

W swoim raporcie o odkryciu nowego rodzaju rozpraszania, Sir Chandrasekhara Venkata Raman zaproponował, aby podobny efekt można było znaleźć również w reżimie rentgenowskim. Mniej więcej w tym samym czasie Bergen Davis i Dana Mitchell opisali w 1928 roku drobną strukturę rozproszonego promieniowania grafitu i zauważyli, że mają linie, które wydają się być zgodne z energią powłoki węgla K. Kilku badaczy próbowało podobnych eksperymentów w późnych latach dwudziestych i wczesnych trzydziestych XX wieku, ale wyniki nie zawsze mogły zostać potwierdzone. Często pierwsze jednoznaczne obserwacje efektu XRS przypisuje się K. Dasowi Gupcie (raportowane odkrycia 1959) i Tadasu Suzuki (raportowane 1964). Wkrótce zdano sobie sprawę, że pik XRS w ciałach stałych został poszerzony przez efekty ciała stałego i pojawił się jako pasmo o kształcie podobnym do widma XAS. Potencjał techniki był ograniczony aż do czasów nowożytnych pojawiły się synchrotronowe źródła światła . Wynika to z bardzo małego prawdopodobieństwa XRS padających fotonów, wymagających promieniowania o bardzo dużym natężeniu . Obecnie znaczenie technik XRS gwałtownie rośnie. Można ich używać do badania subtelnej struktury absorpcji promieniowania rentgenowskiego przy krawędzi (NEXAFS lub XANES), jak również do badania subtelnej struktury absorpcji promieniowania rentgenowskiego (EXAFS).

Krótka teoria XRS

XRS należy do klasy nierezonansowego nieelastycznego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego, którego przekrój

{\ Displaystyle {d ^ {2} \ sigma \ nad d \ Omega dE} = \ lewo ({d \ sigma \ nad d\Omega }\right)_{\rm {Th}}\times S(q,E)}

.

Tutaj ${\ Displaystyle (d \ sigma / d \ Omega) _ {\ rm {Th}}}$ jest przekrojem poprzecznym Thomsona , co oznacza, że rozpraszanie dotyczy fal elektromagnetycznych z elektronów . Fizyka badanego systemu jest pochowana w $dynamicznym$ $.$ struktury który jest przenoszenia ${\ Displaystyle E}$ . Współczynnik struktury dynamicznej obejmuje wszystkie nierezonansowe wzbudzenia elektronowe, w tym nie tylko wzbudzenia elektronowe rdzenia obserwowane w XRS, ale także np. plazmony , zbiorcze fluktuacje elektronów walencyjnych i rozpraszanie Comptona .

Podobieństwo do absorpcji promieniowania rentgenowskiego

W 1967 roku Yukio Mizuno i Yoshihiro Ohmura wykazali, że przy małych transferach pędu $XRS$ współczynnika struktury dynamicznej jest proporcjonalny do widma absorpcji promieniowania rentgenowskiego. Główna różnica polega na tym, że podczas gdy wektor polaryzacji światła łączy się z pędem absorbującego elektronu w XAS, w XRS pęd padającego fotonu łączy się z ładunkiem elektronu. Z tego powodu przeniesienie pędu XRS odgrywa rolę polaryzacji fotonów XAS.

Zobacz też