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射线近边吸收精细结构谱学原理及应用

射线近边吸收精细结构谱学原理及应用射线近边吸收精细结构谱学（Near Edge X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy, NEXAFS）是一种电子能级特征的表征方法，用于分析物质的化学组成、结构和有机功能团等信息。

它广泛应用于材料科学、化学、生物学等领域，对于研究催化剂、聚合物、生物大分子等具有重要意义。

射线近边吸收精细结构谱学的原理是基于X射线的电荷转移过程。

当X射线入射到样品表面时，部分电子能够被样品吸收和激发，从而形成特定的能级结构和谱线。

这些能级结构和谱线的位置、形状以及强度等信息可以提供物质的详细特征，从而揭示其组成和化学反应过程。

在射线近边吸收精细结构谱学中，主要利用的是射线的K边和L边吸收能级谱。

K边吸收谱通常用于分析重元素，而L边吸收谱则适用于轻元素。

通过测量K边和L边吸收谱，可以获得元素的价态、化学键种类以及与周围原子的相互作用等信息。

此外，射线近边吸收精细结构谱学还可以结合其他实验技术，如透射电子显微镜（TEM）、光电子能谱（XPS）和偏振光吸收谱等，提供更加全面和准确的表征。

射线近边吸收精细结构谱学在材料科学中有广泛的应用。

例如，在催化剂研究中，射线近边吸收精细结构谱学可以用于确定催化剂表面的吸附物种和配位环境，研究催化反应机理，以及研究催化剂的结构与性能之间的关系。

在聚合物研究中，射线近边吸收精细结构谱学可以用于分析聚合物链的构型、取向和功能团的存在状态，以及探索聚合物与界面之间的相互作用。

此外，射线近边吸收精细结构谱学还可以应用于生物大分子的研究，如蛋白质和核酸的结构和功能分析。

总之，射线近边吸收精细结构谱学是一种非常有价值的实验技术，可以提供元素的化学信息和物质的结构特征，对于材料科学、化学和生物学等领域的研究具有重要意义。

随着科学技术的不断发展，相信射线近边吸收精细结构谱学在解析复杂体系中的作用还将不断扩大和深化。

第四章X射线吸收精细结构

第四章X射线吸收精细结构X射线吸收精细结构（XAFS）是一种用于研究材料的表面和内部结构的实验技术。

它利用X射线的特性，通过测量X射线被材料吸收后的能量变化，来研究材料的原子结构和化学性质。

XAFS技术的原理是基于X射线的吸收过程。

当X射线通过材料时，它与材料的原子相互作用。

X射线与材料的原子发生作用后，可以被吸收或散射，从而改变其能量。

这种吸收和散射的过程是与材料中原子的种类、排列和化学状态有关的。

XAFS技术的实验过程包括两个主要的步骤：吸收光谱和延伸XAFS。

在吸收光谱中，X射线通过样品，并且用一个能量可调的检测器来测量被吸收的光子的能量。

通过对不同能量的X射线的吸收进行测量，可以得到吸收光谱，即吸收光子的能量与X射线入射能量之间的关系。

延伸XAFS是在吸收光谱基础上进行的。

通过对延伸XAFS的分析，可以得到关于材料原子结构和化学性质的更详细的信息。

延伸XAFS的分析涉及到对X射线与材料原子相互作用的物理过程的建模和计算，以及对实验数据的拟合。

通过XAFS技术，可以获得关于材料的彻底的信息，包括原子种类、原子之间的距离、原子排列的顺序、材料的晶体结构、材料中不同元素的化学状态等。

这些信息对于研究材料的性质和应用具有重要意义。

XAFS技术在许多科学领域有广泛应用。

在材料科学中，它可以用于研究材料的表面和界面结构，以及材料中的微观缺陷和杂质等。

在催化剂研究中，XAFS技术可以用于研究催化剂中金属原子的分布和化学状态，以及催化反应的机理等。

在生物化学和生物物理学中，XAFS技术可以用于研究蛋白质和DNA等生物大分子的结构和功能。

总之，X射线吸收精细结构是一种有力的实验技术，可以为研究材料的结构和性质提供详细的信息。

它在材料科学、催化剂研究、生物化学等领域有着广泛的应用前景。

随着新的仪器和方法的发展，XAFS技术将会变得更加精确和高效，为科学研究提供更多的可能性。

10_X射线吸收精细结构(XAFS

10 X射线吸收精细结构(XAFS)谱

10.2 XAFS理论:

吸收系数：在吸收曲线的XAFS区域，光电子可以当作自由电子来处理，且只有末态波函数受到近邻原子近邻原子的弹性散射使得这种叠加出现干涉现象而导致散射的影响。末态波函数可以看成吸收原子的出射光电子波与该波受到近邻原子的散射而成的入射光电子波的叠加。近邻原子的弹性散射使得这种叠加出现干涉现象而导致XAFS振荡。

图 XAFS原理示意图 (a)光电子岀射波与散射波位相相同 (b)光电子岀射波与散射波位相相反
10 X射线吸收精细结构(XAFS)谱

10.1 XAFS 原理: XAFS的发展概况图4中给出了Kr的单原子蒸汽以及Kr吸附于石墨表面时Kr的K边吸收谱。从图4a中可以看到，由于Kr的蒸汽不具有近邻原子配位，其吸收谱为单调平滑的单原子吸收曲线，并不出现振荡结构．而在图4b中，当Kr吸附于石墨上而有近邻原子配位时，其吸收谱出现了XAFS振荡现象．至此，对 XAFS现象的物理机制有了较清楚图：Kr不同状态下的K边吸收谱的认识。这也进一步说明了XAFS 现象是与近邻原子配位状态密切（a） Kr单原子蒸汽的K边吸收谱相关的。（b）Kr吸附于石墨表面时的KrK边吸收谱

10 X射线吸收精细结构(XAFS)谱

10.1 XAFS 原理: 技术的特点 (5)XAFS的广泛性。除常规的XAFS技术(透射法和荧光法)以外．还衍生出许多相关的XAFS技术．XAFS技术作为一种探测原子近邻结构的手段已被广泛地应用于多学科的结构研究。既可用以研究固态、液态、气态、熔态，又可用于研究非晶、多晶，单晶及准晶．既可以研究稀薄样品、浓聚物质，又可以研究表面结构．结合各种XAFS技术，原则上可以测量周期表中各种元素，用表面XAFS技术已可以获得C、O等轻元素的K吸收近边谱。

第四章X射线吸收精细结构完整ppt

20
与散射光电子的位相改变有关。
（4-1）随着同步辐射的发展，XAFS已成为研究凝聚态物质，特别是长程无序,短程有序的非晶态、液态、熔态物质的原子、电子结构的有力工具。
图22 从吸收原子(黑色)激发出的光电子波函数的径向分布。（4-1） (c)归一化的c(Ex) 随着同步辐射的发展，XAFS已成为研究凝聚态物质，特别是长程无序,短程有序的非晶态、液态、熔态物质的原子、电子结构的有力工具。
双原子气体，凝聚态物质：吸收原子有近邻原子，出射光电子将受近邻原子的背散射，出射电子波与背散射光电子波叠加，干涉相长使吸收增加，干涉相消使吸收下降；由于光电子波长随入射光子能量变化，从而使吸收曲线出现震荡，即产生EXAFS。
图22 从吸收原子(黑色)激发出的光电子波函数的径向分布。
定义EXAFS函数
图23 透射法的原理图
2)荧光法
I 0 用离子室D 0光法适用于薄膜
样品和浓度小于5%的厚样品。这时，待测元
素A的吸收系数与荧光强度成正比。
H (E)
C
If I
图24 荧光法原理图
4. EXAFS数据处理
EXAFS数据处理步骤如下：
1. 实验测得数据：（透射法），
2. EXAFS产生机制，基本公式
§2．中给出原子吸收X射线光子的几率，
eh
P4m2w2
Mfs
2(Ef )
Mfsf Ps
终态 f ,初态 s ，
s 在X射线光电吸收中一般为原子内壳层的
1s，2s，2p态，与入射光子能量无关。
f
孤立原子，单原子气体: 光电子处于出射态，远离吸收原子传播出去，即终态 f 为自由电子态，它不随入射光子能量震荡。

x射线吸收精细结构谱

x射线吸收精细结构谱X射线吸收精细结构谱（Extended X-ray absorption fine structure，EXAFS）是利用X射线吸收来研究材料的结构和成分的一种技术。

它通过测量X射线在材料表面或体内被吸收的过程中产生的能谱来获得相关信息。

在本文中，我们将详细介绍EXAFS的原理、应用和发展。

EXAFS的原理基于贝尔定律。

当X射线通过物质时，它会与物质的原子发生相互作用，即被吸收和散射。

通过测量X射线的能量，可以了解到吸收和散射的过程中发生的频率以及幅度。

这些信息可以提供关于材料的晶体结构、原子间距和化学键特性等方面的信息。

EXAFS谱通常由两个主要的特征组成：前排峰型（pre-edge peak）和振荡型（oscillation）。

前排峰型是由于在吸收边上方存在未饱和的内层电子对LDOS（local density of states）贡献所引起的。

振荡型则是由于在吸收边附近形成的几个图像电荷引起的，这些图像电荷是X射线吸收后原子周围的其他原子所形成的。

通过分析这些峰型和振荡型的强度和位置，可以确定材料的结构和成分。

EXAFS可以应用于各种材料的研究，包括金属、非金属、纳米材料、生物分子和催化剂等。

在金属材料中，EXAFS可以提供关于晶体结构和原子间距的信息，例如金属颗粒的尺寸和形状。

在非金属材料中，EXAFS可以揭示材料中特定原子的化学键性质和材料的局部环境。

在纳米材料中，EXAFS可以研究与表面吸附有关的原子位置、溶质在纳米孔隙中的位置以及纳米颗粒的晶体结构。

在生物分子研究中，EXAFS可以提供关于金属离子在蛋白质中的配位环境和催化剂活性中心的信息。

通过测量X射线在催化剂表面或体内的吸收，可以了解催化剂的表面结构、吸附态和催化反应机理。

EXAFS技术在过去几十年中得到了快速发展。

随着X射线光源的不断改进，如同步辐射和自由电子激光等，EXAFS分辨率和灵敏度得到了显著提高。

X射线吸收精细结构谱

Group Meeting X射线吸收精细结构谱
Name：WANG Jingfeng
X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
XAFS：基于同步辐射光源，当X射线经过样品时所激发的光电子被周围配位原子所散射，致使 X射线吸收强度随能量发生振荡，研究这些振荡信号可以得到所研究体系的电子和几何局域结构。
• X射线吸收近边结构
具有未填满d壳层的四面体和八面体的过渡金属络合物的：
• 八面体结构的吸收谱边前锋很弱，主峰强度高；
• 四面体配位的XANES谱有很强的边前锋，主峰强度不高。
八四面体配位的XANES谱中: :
主峰对归应结于1s电子向t31tu2*轨轨道道的的跃跃迁迁，; 这个峰强度相对于八面体配位的降低两是个由边于前3t 锋2轨是道1上s电空子穴向态eg密*和度t的2g分减子少轨。道的跃迁引起的。在对称性很好的八面在体四配面位体中结，构该中跃，迁由属于于2t2偶轨极道禁是阻由跃金迁属。的3d和4p轨道杂化而形成的。因此但按是照，跃由迁于规八则面，体1s电对子称到性2的t2降轨低道或的者跃振迁动是激对发称使性八允面许体的对，称故性四受面到体扰结动构，的使XA这N种ES跃谱迁在成低为能可处能存。在对很称强性的的边降前低结也构使。得t1u*轨道分裂，导致主峰的分裂。
（PtCo) ＞2.51(Co-Co)，说明the formation of Pt-Co bonds; • Pt-Pt键长in catalysts 小于that in Pt bulk，说明Pt atoms 在Co atoms 的上方。
Angew Chem Int Edit, 2016, 55, 7968-7973.
X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)

同步辐射x射线吸收精细结构谱

同步辐射x射线吸收精细结构谱同步辐射x射线吸收精细结构谱随着科技的发展，同步辐射技术逐渐得到应用并得到了广泛认可。

同步辐射技术作为材料科学领域中非常重要的分析手段，具有极高的分辨率和敏感度，已经成为材料科学领域分析研究中不可或缺的技术手段。

I. 同步辐射技术的概述同步辐射来源自于高能量电子在磁场作用下所产生的轨道偏转，并产生强烈的电磁波辐射。

同步辐射技术具有极高的亮度和超高的单色性，能够以异乎寻常的精度进行研究对象的物性分析。

同时，通过调节同步辐射光的功率，还能够实现目标样品的精细控制，从而获得更为精细的结构谱。

II. 吸收光谱技术的发展历程吸收谱仪是利用同步辐射技术发射出来的光，并通过样品的吸收和散射，将不同的化学和结构特征转化为对应不同的能量吸收谱曲线的技术。

在发展初期，吸收光谱技术的应用受限，偏重于表面结构的分析，随着技术的发展，吸收光谱技术已经逐渐应用到材料的内部结构研究之中。

通过分析样品内部的吸收能量分布，可以获得更为准确的样品结构信息。

III. 同步辐射X射线吸收谱技术的应用场景及优势同步辐射X射线吸收谱技术在金属、半导体、高分子材料以及高温高压等领域，都有着广泛的应用。

具有极高的灵敏度和高分辨率，可以对目标材料的化学结构及组成进行深入分析，并可以在加入其它元素或材料成分的情况下，获得更准确的结构信息。

相比于其它分析方法而言，同步辐射x射线吸收谱技术能够保留样品内部的信息，因此也更加适用于材料复杂结构分析。

IV. 未来同步辐射技术的发展趋势随着装备技术的发展，同步辐射技术在晶体学、材料科学等领域具有的广泛应用前景，将会成为更多领域相互协作研究中，不可或缺的技术支持。

此外，同步辐射技术的开放共享，也将为科学家在各自领域内的基础研究和应用研究提供良好的平台和支持。

总之，同步辐射X射线吸收谱技术在科学研究、材料分析等领域中具备了非常重要的作用，我们也有理由相信，同步辐射技术在不远的将来一定会发挥更大的作用，为人类在材料科学、医学科学等领域内的不断发展贡献自己的力量。

x射线吸收精细结构谱

x射线吸收精细结构谱X射线吸收精细结构谱是一种常见的分析技术，可以用于研究物质的化学组成和结构。

本文将介绍X射线吸收精细结构谱的基本原理、实验方法、应用领域以及一些前沿研究。

一、基本原理X射线吸收精细结构谱是通过测量物质对入射X射线的吸收和散射行为来研究其内部结构的一种方法。

在这个过程中，入射X射线与物质中的原子发生相互作用，其中主要包括光电效应、康普顿散射和荧光弛豫。

1.光电效应：当入射X射线的能量和材料中的原子能级之差一致时，X射线被材料中的电子吸收，并将电子从内层原子轨道上电离。

这一过程产生的吸收辐射谱能够提供关于物质中各个元素的信息。

2.康普顿散射：入射X射线与材料中的电子发生反向散射，这种散射过程会导致入射X射线的能量减少。

通过测量散射X射线的能量损失，可以了解物质中电子的运动和原子排列的信息。

3.荧光弛豫：当入射X射线的能量超过材料中一些原子内层电子的束缚能时，这些电子将被激发到高能级。

随后，这些高能级电子会发生弛豫过程，向下跃迁，发射出荧光X射线。

荧光X射线谱可以提供关于材料的元素的化学状态和原子环境的信息。

二、实验方法X射线吸收精细结构谱主要利用X射线吸收和散射过程产生的谱线来研究物质的结构。

常用的实验方法包括X射线吸收光谱、荧光光谱和X射线衍射。

1.X射线吸收光谱：通过测量入射X射线的吸收率随能量的变化来获得吸收光谱。

常用的仪器是X射线吸收光谱仪，包括单晶谱仪和多晶谱仪。

通过分析谱线的形状和峰位，可以了解物质中各个元素的存在形态、原子环境和配位数等信息。

2.荧光光谱：通过测量荧光X射线的能量和强度来获得荧光光谱。

常用的仪器是荧光光谱仪，包括光电倍增管和谱线计数器等。

荧光光谱可以提供关于材料中元素的存在形态、化学状态和原子环境等信息。

3.X射线衍射：通过测量物质中X射线的散射模式和散射强度来获得衍射图谱。

常用的仪器是X射线衍射仪，包括平行束X射线衍射仪和傅立叶变换X射线衍射仪等。

EXAFS

非辐射方法原子吸收X射线光子发出的俄歇电子和二次电子也与吸收系数成正比，因此可以通过探测俄歇电子或二次电子来得到EXAFS信号。电子逃逸深度一般为几纳米，就可以测量表面结构，称之为表面EXAFS或SEXAFS
采用什么方法需要综合考虑样品的性质
透过率
俄歇电子或荧光产额
X射线吸收谱实验装置
EXAFS的特点 EXAFS现象来源于吸收光原子周围最临近的几个配位层的作用，不依赖晶体结构，因此可用于大量的非晶态材料的研究，像催化剂上的活性中心，生物酶中金属蛋白，表面层结构和无定形材料的研究，甚至溶液、气体的研究等，比X射线衍射的作用要广泛得多。
X射线吸收边具有原子特征，可以调节X射线光子能量到某一种原子的吸收边处，则只有该原子的环境可以探测，而不受其他元素的干扰，对不同的元素的原子，可由吸收边位置不同，而得以分别研究。
形状共振对分子的几何结构的变化是很灵敏的
XANES—近边区固体物质复杂
原子簇多次散射理论
考虑一个围绕着吸收原子的，有一定大小的原子簇，光电子在其中发生多次散射后回到吸收原子与出射波发生干涉，形成共振这种共振与原子排列的变化非常敏感，实际计算时就是通过改变原子簇大小和位置来与实验结果相匹配
傅氏变换，说明了最临近和次临近距离
EXAFS--广延区
XAFS的测量方法和实验设备
测量方法
XAFS中有用的信息只相对于吸收边高度的百分之几，因而要求有尽量强而稳定的X射线源，以得到比较高的信噪比，对能量分辨率也有相当高的要求有几种XAFS测量方法
直接法：透射方法
间接方法：X射线荧光或俄歇电子或二次电子
上一世纪20年代，观察到了吸收边处的精细结构
对于这一现象的解释长程有序理论：晶格特征的电子态密度的震荡引起的

第六章X射线吸收精细结构(XAFS)

随着同步辐射的发展，XAFS已成为研究凝聚态物质，特别是长程无序,短程有序的非晶态、液态、熔态的原子、电子结构的有力工具。
XAFS可分为两部分：
1)EXAFS（扩展X射线吸收精细结构）
吸收边高能侧（30-50）eV至1000eV的吸收系数的震荡，称为EXAFS。它含有吸收原子的近邻原子结构信息（近(E邻) 原子种类、配位数、配位距离等）。
700
600
Ge
500
400
FT值
300 200
100
0 0
2
4
6
R (Ǻ)
8
10
图28. Fourier变换的结果，
虚线为滤出第一配位壳层的窗函数
20
10
k2(k)
0
-10
-20
0
10
20
k (Ǻ-1)
图29 Fourier变换乘以窗函数
5.EXAFS的特点
1)样品广泛 EXAFS取决于短程有序作用，不依赖长程有序，因而可测得样品广泛，可用于非晶、液态、熔态、催化剂活性中心，金属蛋白，晶体中的杂质原子的结构研究； 2)X射线吸收边具有元素特征，对样品中不同元素的原子，可分别进行研究； 3)利用荧光法可测量浓度低至的元素的样品； 4)样品制备比较简单。
c)
，
的
，，
，得出归一化。d 0 (E)
Ex k (k) [(k) 0 (k)] / 0 (E) (k) k n (k)
t(Ex) t(Ex)
(Ex) t
(E)
k (Ex) t
C03+D03
0 (Ex) t
(C13+D13)t
7.0
7.2 7.4 7.6 7.0

射线近边吸收精细结构谱学原理及应用

X射线近边吸收精细结构谱学原理及应用
吴自玉国家同步辐射实验室
2011-03-25
提纲
1. 同步辐射X射线吸收谱学 2. 扩展X射线吸收精细结构（EXAFS） 3. X射线近边吸收结构（XANES） 4. XANES理论发展
2
同步辐射技术和方法
电子轨道电子源
光学元件 X 射线
样品
光谱能量
散射动量
EXAFS
温度依赖的同步辐射谱学是研究局域晶格扭曲和振动行为的有力手段，我们研究了局域晶格扭曲和振动模式变化，揭示了何种晶格振动模对铁基超导体的超导特性有着显著影响，为超导机理研究带来一线曙光。
σAs-Fe2 (10-3Å2)
5.0
54 experiment of Ba0.6K0.4 Fe2As2
α B = 0.48
a value really close to the value predicted by the BCS theory, 0.5.
W. S. Chu, Z. Y. Wu* et al., J. Synchrotron Rad. 16, 30 (2009) W. S. Chu, Z. Y. Wu* et al., New J Physics 11, 083005 (2009) 15
11B fit
5.5
5.0
4.5
6.0
b
5.5
10B experim ent
5.0
11B experim ent 10B fit
4.5
11B fit
4.0
3.5
3.0
2.5
11
10 C
10B experim ent
9
11B experim ent

x射线吸收精细结构光谱

X射线吸收精细结构光谱X射线吸收精细结构（XAFS）光谱是一种强大的工具，用于研究材料中吸收X射线的原子周围的局域结构。

本文将对XAFS的基本原理、实验技术以及在材料科学和化学研究中的应用进行解析，以便更好地理解XAFS的原理和实验过程。

关键词：X射线吸收精细结构，XAFS，光谱解析，局域结构，材料科学一、引言：X射线吸收精细结构（XAFS）是一种通过测量材料对X射线的吸收特性来研究原子周围局域结构的技术。

XAFS光谱提供了关于材料中吸收X射线的原子的信息，包括它们的化学环境、半径和配位数等。

本文将对XAFS的原理、实验技术以及在材料科学和化学研究中的应用进行详细解析。

二、XAFS的基本原理：1.吸收边的结构：1.1X射线吸收：当X射线通过材料时，原子吸收X射线的能量与原子的能级结构有关。

1.2吸收边的特征：在XAFS光谱中，吸收边的位置和形状提供了关于材料中原子的信息。

2.XAFS的频谱：2.1振动结构：XAFS中的振动结构反映了吸收边的原子周围的振动信息，包括配位数和键长等。

2.2远离吸收边的振动：在吸收边之后的区域，XAFS提供了关于材料结构的更详细的信息，称为远离吸收边的振动结构。

三、XAFS的实验技术：1.吸收谱的采集：1.1吸收边扫描：通过扫描X射线能量来测量吸收边，获得吸收谱。

1.2快速扫描：利用高亮度X射线光源和快速探测器，实现快速而准确的吸收边扫描。

2.Fourier变换：2.1数据分析：使用Fourier变换技术将吸收谱转换为倒空间中原子周围结构的信号。

2.2倒空间映射：通过Fourier变换，可以获得原子间距、配位数和原子类型等信息。

四、XAFS在材料科学和化学中的应用：1.催化剂研究：1.1金属催化剂：XAFS可用于研究金属催化剂中活性位点的结构和电子状态。

1.2反应机理：通过监测反应过程中XAFS的变化，揭示催化反应的机理。

2.生物和环境科学：2.1生物大分子：XAFS可用于研究生物大分子中金属离子的结合状态。

扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)谱

扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)谱
•
10.2 XAFS理论:
• XAFS函数 • 首先，XAFS函数定义如下： µ ( E ) − µ0 ( E ) χ (E) = µ0 ( E ) • 其中 µ0(E)为单原子吸收系数；假设l0，m0是初态的角量子数和磁量子数，在末态，出射波 lm>受到近邻原子的散射而形成入射波 l‘m’> ，其散射振幅为Zl‘m’ ,lm，在单散射近似下，多散射体的效应被简单地看成单散射效应的叠加，因此，XAFS函数可以表示为： i(δ +δ ) j 2 Re P Z P e
W (ω ) =
2π if ρ ( h ω ) H int δ E f − Ei − h ω h
(
)
扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)谱
• 10.2 XAFS理论:
• 吸收系数： • 式中ω 为入射光子的频率; ρ(ħω) 为入射光子态密度；Ei、Ef分别为光电子初、末态的能量，Ef=Ei＋ħω ， • 为相互作用的矩阵元。在偶极跃迁及单光子近似下，可以获得对光子的吸收截面为 • •
χ =∑
j
l′m′,lm,l0m0
∑
l0 m0 ,l ′m′ l ′m′,lm lm,l0 m0
l′
l

∑
lm,l0 m0
Plm,l0m0
扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)谱
• 10.1 XAFS 原理: • XAFS的发展概况 • 但LRO理论不能解释分子气体中观察到的精细结构。为了解释分子气体中观察到的XAFS现象，Kronig认为在分子气体中，激发原子放射出来的光电子随即遭到近邻原子的散射，由此发展了XAFS 的短程有序理论(SRO)。1986年Peterson对用于分子气体中的 SRO理论有了进一步的发展。1941年Kostarev把 SRO理论应用到凝聚态物质中。1952年Friedel也曾试图用原子轨道的方法来解释 XAFS谱，但未取得成功。之后，Shiraiwa等对XAFS的SRO理论作了进一步的完善，考虑了光电子自由程的校正．Shmidt引进了德拜瓦纳(Debye—Waller)因子来修正热运动及结构变化的影响。然而，由于缺乏理论和实验之间的定量比较，仍不能合理地解释 XAFS振荡的形状。甚至到了1963年，Azaroff所给出的评论中，仍然对XAFS的LRO理论和SRO理论莫衷一是。

X射线吸收精细结构

x
x ln I0
I
整理ppt
16
EXAFS 原理
由于出射电子波被近邻原子单散射造成的
（无近邻原子 --- 直线(平滑背底)）
由于有了近邻，出射电子波受到近邻原子阻挡发生散射，散射波与原来的出射波相互干涉，反映在吸收系数上的变化即叠加在平滑背底上的
振荡(oscillation)结构 --- EXAFS
XAFS基本原理
• XANES 与 EXAFS 原理 • EXAFS函数 • 波的傅立叶变换与EXAFS处理方法 • 径向分布函数---
Radial Distribution Function：RDF Radial Structure Function： RSF
整理ppt
14
XANES 原理
?
• 比吸收边高出不到50eV 的吸收精细结构，是由复杂的过程，出射电子波被近邻原子多重散射所引起的
EXAFS给出的结构信息
由EXAFS数据可得到三种结构参数：
（1）发射原子与i 配位层之间的距离 Ri；（2）各配位层中的原子数目 Ni；（3）Debye-Waller因子描述原子振动和无序化的影响。
Ri 是实验中最容易测得较准的参数
整理ppt
28
EXAFS 处理方法
(k)(E)0(E) 0(E)
整理ppt
20
EXAFS 函数(k)
• 振荡的发生，是由发出的光电子波和它从邻近原子的反射
之间进行建设性的或者破坏性的干涉所引起的。EXAFS函
数(k)定义为：
(k)(E)0(E) 0(E)
(2)
0(E)是自由状态原子(孤立原子）的吸收系数，即不考虑散射影响的光滑吸收背景； (E)是使实验测得的有近邻存在时中心

X射线吸收精细结构谱

X射线吸收精细结构谱X射线吸收谱（X-ray absorption spectrum）是一种重要的研究材料结构和元素化学状态的方法。

该技术基于物质对入射X射线的吸收行为，利用吸收光谱特征分析材料的电子结构和原子排列方式。

在吸收谱中，X射线的强度随着入射射线的能量变化而变化，这种变化可以提供有关材料中原子的价态、配位环境以及电子态密度等信息。

X射线吸收谱的分析方法通常采用的是吸收边法（absorption edge method），即通过绘制X射线吸收率随入射能量的变化关系来研究材料的内部结构特征。

当入射X射线能量与固体材料中一些原子的内层电子能级相匹配时，就会发生强烈的吸收现象，这个入射X射线能量称为吸收边能量（absorption edge energy）。

吸收边能量与材料中的元素、价态和配位环境有关。

对于同一元素而言，其吸收边能量通常在几百eV到几千eV范围内波动。

价态和配位环境的变化会导致吸收边能量的微小偏移，因此通过测量吸收边能量可以非常精确地分析材料中的原子状态。

吸收边能量的变化与材料的电子结构和能带位置有关。

在吸收边的高能端，可以观察到与价带相关的吸收特征，这些特征通常被称为K吸收边（K-edge）。

K吸收边的位置与材料的电子云结构有关，可以提供有关材料中原子核电荷分布、电子态密度和价带结构等信息。

在吸收边的低能端，可以观察到与导带相关的吸收特征，这些特征通常称为L吸收边（L-edge）。

除了吸收边能量的分析，X射线吸收谱还可以通过吸收谱线的形状和强度来研究材料的电子结构和原子排列方式。

吸收谱线可以提供与元素化学价、配位数以及配位环境有关的信息。

通过分析吸收谱线的峰位置、强度、形状和宽度等特征，可以获得关于材料中原子态密度、电子态结构和相变行为等方面的信息。

X射线吸收谱技术可以应用于多种领域，如固体物理、材料科学、化学、地球科学等。

在固体物理领域，X射线吸收谱可以用于研究材料的能带结构、原子排列和电子结构。

x射线吸收精细结构谱

x射线吸收精细结构谱X射线吸收精细结构谱（XAS）是一种用于研究材料中吸收X射线的技术。

该技术被广泛应用于物理学、化学、生物学和工程等领域，以研究材料的结构、成分和性质。

在XAS研究中，实验上首先要选择合适的X射线源。

通常使用的X 射线源有同步辐射和X射线荧光光源等。

接着，利用样品吸收X射线的峰值和边缘来研究材料的化学和物理性质。

具体来说，XAS技术主要包括两种类型的信息：X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）。

XANES指的是在吸收边附近的特征峰，它们反映了材料的化学价态和结构。

这是由于当X射线被材料吸收时，内层电子会被激发并进入空位，从而产生所谓的共振效应。

此时，材料的局部电荷状态发生变化，从而产生特定的峰。

EXAFS则是指吸收边和主吸收边之间高频振动峰的信息。

这些振动峰反映了材料的晶格结构和原子键长等信息。

这是由于当X射线被材料吸收时，内层电子与外层电子进行交换，从而造成材料的局部电荷状态的变化。

此时，X射线传递到材料中的原子之间，发生散射现象，生成所谓的最小间距边缘。

总的来说，XAS技术可以提供材料内部结构的微观信息。

这种技术不仅可以研究固体材料，还可以研究液态体系和气态体系。

目前，XAS 已经成为一种重要的研究材料本质性质的手段。

在工程领域中，XAS被广泛应用于材料开发、质量控制和材料优化等方面。

例如，在汽车制造领域，XAS被用于分析材料的耐腐蚀能力、耐磨损性和强度等性质。

在电子材料领域，XAS被用于研究材料的导电性能。

总之，XAS是一种重要的研究材料结构和性质的方法。

该技术越来越被广泛应用于物理学、化学、生物学和工程等领域，在未来有望成为更多研究领域的标配技术。

X射线吸收精细结构

X射线吸收精细结构（XAFS）谱是用于描绘局部结构最强有力的工具之一。

在此技术中，我们将X射线能量调整至与所研究的元素中内电子层一致，再用于探测样品，然后监测吸收的X射线数量与其能量的函数关系。

如果采用足够的精确度，光谱会展现出小的振荡，那是局部环境对目标元素基本吸收概率影响的结果。

从光谱中，我们还能得到吸收原子与邻近原子的间距、这些原子的数量和类型以及吸收元素的氧化状态，这些都是确定局部结构的参数。

通过选择不同能量的X射线，我们可以获得样品中所有元素的此类信息。

XAFS图1为一个X射线区域吸收谱的例子。

当X射线的能量与样品中某一元素的一个内电子壳层的能量发生共振时，会出现突然的升高电子被激发形成连续光谱(图1为钚的X射线吸收谱）。

由于光谱的形状，该光谱又被称为吸收边。

多数情况下，吸收边分得很开，且目标元素只是通过扫描一个合适的能量范围来简单的选择。

沿着吸收边，随着X射线能量的增加，当X射线的穿透深度变大时，吸收率单调下降。

当光谱被扩展越过一个特定边缘时，可观察到精细结构。

当超过20到30电子伏特宽的谱峰和谱肩刚通过边沿的起点时，就出现了X射线吸收近边结构（XANES）区。

位于能量衰减至几百个电子伏特的边沿的高能量一侧的精细结构被称为X射线吸收精细结构（XAFS）。

XANES和XAFS中的精细结构已被研究得较透彻，它使XAFS能用于确定化学物质的种类与局部结构。

在边区以外，XAFS精细结构以一系列起伏振荡的形式叠加在本应为孤立原子所具有的较为平滑的吸收曲线上。

这些精细结构是由于电离出的光电子波与邻近原子对部分这些波的反向散射波之间干涉而形成的。

随着X射线能量的改变，干涉条件也发生相应改变，致使邻近原子产生了振荡式的精细结构。

XAFS的调节可通过一个单散XAFS射公式来描述，对化学家而言，公式中包含一些重要的结构测量参数。

这些参数（并非所有的）包括与吸收原子距离相等的相同原子序数的相邻原子数（即邻近原子的电子层），一个与Z相关的该电子层中每个原子的反向散射振幅函数，对偶的德拜-沃勒（Deby-waller）因子，以及一个独特的吸收体－散射体对的相移特征。