X射线吸收简介.doc

一、射线吸收简介 射线穿过厚度为x的样品后，其强度会因为吸收而衰减为（见图1），由此我们可以定义X射线吸收系数 射线吸收谱就是测量射线吸收系数随射线能量的变化曲线。从吸收系数与入射光子能量的关系曲线中，可以观察到曲线有三个基本特征（见图2）： 1）随着入射光子能量的增加，总的吸收系数在减小； 2）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； 3）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。  图1 射线吸收过程，为入射光强，为出射光强，样品厚度为，吸收系数被定义为 图2射线吸收系数随光子能量的变化曲线， 分别对应电子吸收边 第一个特征就是众所周知的原子对射线的吸收现象，它是光滑且单调下降的曲线，在数据处理中我们可以将它作为本底扣除。 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。 最后一个特征即所谓的XAFS曲线，它包含着体系的结构信息。合理分析XAFS谱，能够获得关于材料的几何结构以及电子和振动特性信息。在许多科学领域里，如生物、化学、电子、地质、材料等，对局域原子结构信息（如原子的种类、数目以及所处的位置等）的了解是极其重要。但是目前还没有其它的实验手段能够比较好地给出无序体系的结构信息，因此XAFS是一个非常重要的实验手段。 XAFS谱宏观上可以定义为：在给定的吸收边能量以上，归一化的射线吸收谱的振荡部分，即 (1) 其中是一个关于能量平滑变化的函数，相当于中心吸收原子在周围没有散射原子情况下的吸收系数；是归一化因子，近似等于吸收边前后本底信号的跳跃幅度。 原子的射线吸收谱 对于分子和凝聚态体系，XANES共振峰和EXAFS信号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。在这里我们很有必要详细讨论一下原子的吸收谱。 原子的吸收系数可以写为单个原子吸收截面的表达式，为，其中为单位体积内的原子密度（每立方厘米有1024个原子）。 在射线与原子的相互作用中，有两个主要的截然不同的效应要考虑： a) 光电吸收截面：射线作用在原子上，原子内的电子被激发到较高能级或者电离到真空能级，在原子内留下空穴； b) 光电散射截面：射线被原子中的电子散射。 我们知道每种原子都有自己的一套电子能级，在基态时原子的内层电子能级都填充有电子，当X射线的能量刚好能够将内层电子激发到某个空态能级或者真空能级，射线将会发生共振吸收，这种吸收过程可以用爱因斯坦提出的光电吸收效应来解释。 当原子的内层电子被射线激发出来以后，将在原子内产生空穴。因此空穴的产生是由于吸收的结果，空穴的数目应与射线吸收吸收成正比。原子内层出现空穴后，原子处于不稳定的激发态，满足选择定则的外层电子将会退激发到这个空穴位置。这种退激发存在两种不同的过程（见图3）： a) 射线荧光过程：射线激发出内层电子，在原子中留下一个空穴，满足选择定则的较高能级上的电子将驰豫到这个空穴位置，能级之间的能量差以射线荧光的形式发出。 b) 俄歇过程：例如当射线激发出原子中K层电子留下空穴后，处于LIII的电子将驰豫到这个空穴，释放出能量，用于激发LI上的电子离开原子，形成LIII和LI上各有一个空穴的终态，发射的电子成为俄歇电子。  a) b) 图3 原子的两种退激发过程：a) 荧光过程；b) 俄歇过程。 射线作用在原子上，除了光电吸收而导致的衰减之外，原子内的电子还会散射X射线而导致射线进一步衰减。原子对射线的散射主要有下面两种类型： a) 康普顿散射：在等离子体和天体物理中，我们经常碰到这个散射，也就是光子被自由电子的散射，在低能情况下也叫做汤姆逊散射。在原子物理范畴内，它们实际上是光子的能量比原子中电子的束缚能大得多时所发生得光子与束缚电子的散射，因为在这个时候可以近似地把这个束缚电子看作是自由电子。我们常说的康普顿散射引起的新的辐射线的能量低于入射线的能量，因此康普顿散射为非相干散射。在康普顿散射中，当入射光子能量较低或者散射角很小的情况下，散射线的波长将等于入射线的波长，为相干散射，这就是我们所说的汤姆逊散射。也就是说，汤姆逊散射是康普顿散射的低能极限，在小角散射情况下二者也趋于一致。 b) 瑞利散射：对于较轻的原子和重原子中结合较松的外层电子，如果它们的结合能比入射X射线的能量小得多，我们可以近似为光子与自由电子的作用，这部分为康普顿散射成分；而入射X射线与原子中的内层电子相互作用产生的散射则为瑞利散射。随着原子序数的增大，电子的结合能增大，具有较大能量的内层电子的数目增多，因而与束