EXAFS之基本原理.doc

X光吸收光譜數據處理-1
DataProcessingofX-rayAbsorptionFineSpectroscopy
李文德、林志明
電機工程系、自然教育系
黎明技術學院、國立新竹師範學院
Win-DerLee、Chih-MingLin
DepartmentofElectricalEngineering,Lee-MingInstituteofTechnology,Taipei,243,Taiwan
DepartmentofScienceEducation,NationalHsinchuTeacher'sCollege,Hsinchu,Taiwan,R.O.C.黃彥衡
工程與系統科學系
國立清華大學
Yen-HengHuang
DepartmentofEngineeringandSystemScience,NationalTsingHuaUniversity,Hsinchu,Taiwan,R.O.C.
吳恭德、陳昌祈
物理系
東吳大學
Kung-TeWu、Chang-ChiChen
DepartmentofPhysics,SoochowUniversity,Taipei,Taiwan,R.O.C.
摘要
自從X光於1895年由Roentgen發現後，由於其波長約為0.1Å到10Å之間，原子大小相近，遂成為研究凝態原子結構的利器。在相關應用技術中因為X光吸收光譜(X-rayAbsorptionFineSpectroscopy簡稱XAFS)可研究物質中特定元素的短程效應，再配合同步輻射光源的發展使得量測實驗數據的過程更加快速簡單，所以自從1971年被引用為原子結構分析的工具後，如今已經成為研究物質結構的重要方法，這也是我們從事此篇研究的原因。

Abstract
SincetheX-raywasfoundbyRoentgenat1895,ithasbeenwidelyappliedtostudytheatomicstructurebecauseitswavelengthλisbetween0.1Åand10Åneartheatomicsize。AmongtechnicsassociatedwithX-ray,XAFS,asanimportanttoolafter1971,isusedtostudytheshort-rangeeffectofspecialelementsinmaterials;andthus,wecangettheexperimentaldatafastwithXAFSandsynchrotronradiation.TheabovereasoniswhythisworkaboutthedataprocessingofXAFSisdone.

1.緒言:
一般而言，在X光的能量區段中，物質對越高能量光子的吸收度越低(亦即高能量的X光具有較大的穿透力)，因此物質的吸收係數對X光能量作圖，大致呈現遞減的趨勢，然而在吸收曲線上存在一些躍昇段，乃因入射能量恰好足夠將某一元素原子的內層電子激發(游離)而造成吸收係數突然增加所致。
基本上，我們將X光吸收光譜分為兩個區域：
X光吸收邊緣結構(X-rayAbsorptionNearEdgeStructure,XANES)
其能譜範圍從吸收原子之吸收邊緣以

上至~40eV之間，由於受偶極選擇律限制，其內層原子能態與次高(低)之角量子
層電子能態有關。由於XANES包含吸收原子之束縛力及其周圍原子排列有關，可利用其推測吸收原子的結構對稱性以及其有效電荷分佈等資訊，XANES(又稱Kossel結構)雖然表現出更多的電子結構訊息，但其理論仍尚未完整。
延伸X光吸收細微結構(EXAFS)
指吸收係數相對於吸收邊緣以上約40eV延伸至1000eV間。在此區域由於內層電子吸收光子能量而躍遷至連續帶而形成光電子，如果吸收原子周圍有其他原子之存在，則出射光電子離開原來之吸收原子且受其他原子散射而折返，因此出射光電子與折返之光電子相互干繞，此種干繞現象決定於入射光能量，吸收原子與周圍原子種類，周圍原子數目，吸收原子與各層原子間之距離等因素。如果兩種光電子同相(Inphase)，則形成建設性干繞，樣品有最大之吸收係數；反之，若兩種光電子異相(Outofphase)，則產生破壞性干繞，形成最小的吸收係數，隨著入射光能量的增加，X光吸收係數顯出能量函數大小起伏變化，此範圍內的吸收光譜稱為EXAFS。(又稱Kronig結構)

2.EXAFS之基本原理
研究X光吸收光譜只需要考慮光電吸收，是因為從光與物質作用下，各種
截面積與光子能量的關係看出，在X光之能量範圍(103至105eV)內，吸收截面積主要貢獻來自於光電吸收，而且大於其他吸收過程兩個數量級以上。
當光子之入射能量低於物質內原子之吸收