Röntgen Raman-spridning
Röntgen Raman-spridning (XRS) är icke-resonant oelastisk spridning av röntgenstrålar från kärnelektroner . Det är analogt med vibrationell Raman-spridning , som är ett flitigt använt verktyg inom optisk spektroskopi, med skillnaden att våglängderna för de exciterande fotonerna faller inom röntgenregimen och motsvarande excitationer kommer från elektroner med djupa kärnor.
XRS är ett elementspecifikt spektroskopiskt verktyg för att studera materiens elektroniska struktur . I synnerhet undersöker den den exciterade tillståndstätheten av tillstånd (DOS) för en atomart i ett prov.
Beskrivning
XRS är en oelastisk röntgenspridningsprocess , där en högenergi-röntgenfoton ger energi till en kärnelektron och exciterar den till ett ledigt tillstånd. Processen är i princip analog med röntgenabsorption (XAS), men energiöverföringen spelar rollen som röntgenfotonenergin som absorberas vid röntgenabsorption, precis som vid Raman-spridning i optik vibrationslågenergiexcitationer kan vara observeras genom att studera spektrumet av ljus som sprids från en molekyl.
Eftersom energin (och därför våglängden) för den sonderande röntgenstrålningen kan väljas fritt och vanligtvis är i den hårda röntgenstrålen, övervinns vissa begränsningar av mjuka röntgenstrålar i studier av materialets elektroniska struktur. Mjukröntgenstudier kan till exempel vara ytkänsliga och de kräver en vakuummiljö. Detta gör studier av många ämnen, såsom många vätskor omöjliga med mjuk röntgenabsorption. En av de mest anmärkningsvärda tillämpningarna där Raman-röntgenspridning är överlägsen mjuk röntgenabsorption är studiet av mjuka röntgenabsorptionskanter vid högt tryck . Medan högenergiröntgenstrålar kan passera genom en högtrycksapparat som en diamantstädcell och nå provet inuti cellen, skulle mjuka röntgenstrålar absorberas av själva cellen.
Historia
I sin rapport om upptäckten av en ny typ av spridning föreslog Sir Chandrasekhara Venkata Raman att en liknande effekt skulle finnas även i röntgenregimen. Ungefär samtidigt Bergen Davis och Dana Mitchell 1928 om finstrukturen av den spridda strålningen från grafit och noterade att de hade linjer som verkade överensstämma med kol K-skalenergi. Flera forskare försökte med liknande experiment i slutet av 1920-talet och början av 1930-talet men resultaten kunde inte alltid bekräftas. Ofta krediteras de första entydiga observationerna av XRS-effekten till K. Das Gupta (rapporterade fynd 1959) och Tadasu Suzuki (rapporterade 1964). Det insågs snart att XRS-toppen i fasta ämnen breddades av solid-state-effekterna och det verkade som ett band, med en form som liknar den för ett XAS-spektrum. Teknikens potential var begränsad tills moderna synkrotronljuskällor blev tillgängliga. Detta beror på den mycket lilla XRS-sannolikheten för infallande fotoner, som kräver strålning med mycket hög intensitet . Idag växer XRS-tekniker snabbt i betydelse. De kan användas för att studera nära-kant röntgenabsorptionsfinstruktur (NEXAFS eller XANES) samt utökad röntgenabsorptionsfinstruktur (EXAFS).
Kort teori om XRS
XRS tillhör klassen av icke-resonant oelastisk röntgenspridning, som har ett tvärsnitt på
- .
Här är Thomson-tvärsnittet , vilket betyder att spridningen är den för elektromagnetiska vågor från elektroner . Fysiken i systemet som studeras är begravd i den dynamiska strukturfaktorn som är en funktion av momentumöverföring och energiöverföring . Den dynamiska strukturfaktorn innehåller alla icke-resonanta elektroniska excitationer, inklusive inte bara kärnelektronexcitationer som observerats i XRS utan också t.ex. plasmoner , de kollektiva fluktuationerna av valenselektroner och Compton-spridning .
Likhet med röntgenabsorption
Det visades av Yukio Mizuno och Yoshihiro Ohmura 1967 att vid små momentumöverföringar är XRS-bidraget från den dynamiska strukturfaktorn proportionell mot röntgenabsorptionsspektrat. Den största skillnaden är att medan ljusets polarisationsvektor kopplas till den absorberande elektronens rörelsemängd i XAS, kopplas rörelsemängden för den infallande fotonen i XRS till elektronens laddning. På grund av detta spelar momentumöverföringen av XRS rollen som fotonpolarisering av XAS.