مطيافية انبعاث الأشعة السينية

مطيافية انبعاث الأشعة السينية ( XES ) هي نوع من مطيافية الأشعة السينية ، حيث يُثار إلكترون في النواة بواسطة فوتون أشعة سينية ساقط، ثم يتحلل هذا الإلكترون المُثار بانبعاث فوتون أشعة سينية لملء الفراغ في النواة. طاقة الفوتون المنبعث هي فرق الطاقة بين مستويات الطاقة الإلكترونية المعنية. يهدف تحليل اعتماد طاقة الفوتونات المنبعثة إلى مطيافية انبعاث الأشعة السينية. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} يُشار إلى XES أحيانًا باسم مطيافية تألق الأشعة السينية (XRF)، وبينما يمكن استخدام المصطلحين بشكل متبادل، فإن XES غالبًا ما تصف تقنيات ذات دقة طاقة عالية ^{[ 4 ]،} بينما تدرس XRF نطاقًا أوسع من الطاقة بدقة أقل. ^{[ 5 ]}

توجد عدة أنواع من أجهزة قياس الطيف الضوئي بالأشعة السينية، ويمكن تصنيفها على أنها أجهزة قياس الطيف الضوئي بالأشعة السينية غير الرنانة (XES)، والتي تشمل${\displaystyle K_{\beta }}$- قياسات، وقياسات التكافؤ إلى النواة (VtC/V2C)، و (${\displaystyle K_{\alpha }}$تُستخدم قياسات طيف الأشعة السينية الرنانة (XES) أو قياسات طيف الأشعة السينية الرنانة (RXES أو RIXS )، والتي تشمل قياسات XXAS+XES ثنائية الأبعاد، وقياسات XAS عالية الدقة ، وقياسات RIXS ثنائية الأبعاد 2p3d، وقياسات موسباور- XES المدمجة. ^{[ 6 ]} بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم طيف انبعاث الأشعة السينية اللينة (SXES) في تحديد البنية الإلكترونية للمواد من خلال دراسة الانتقالات بين أغلفة الإلكترونات الأقرب إلى مستوى التكافؤ.

تم نشر أولى تجارب XES بواسطة ليند ولوندكويست في عام 1924 ^{[ 7 ]}

في هذه الدراسات المبكرة، استخدم المؤلفون حزمة الإلكترونات من أنبوب الأشعة السينية لإثارة إلكترونات النواة والحصول على${\displaystyle K_{\beta }}$أطياف خطوط الامتصاص للكبريت وعناصر أخرى . بعد ثلاث سنوات، أجرى كوستر ودرويفيستين أولى التجارب باستخدام إثارة الفوتونات. ^{[ 8 ]} أظهر عملهما أن حزم الإلكترونات تُنتج تشوهات ، مما حفز استخدام فوتونات الأشعة السينية لإنشاء ثقب النواة. أُجريت تجارب لاحقة باستخدام مطيافات الأشعة السينية التجارية ومطيافات عالية الدقة.

رغم أن هذه الدراسات المبكرة قدمت رؤى أساسية حول التركيب الإلكتروني للجزيئات الصغيرة، إلا أن استخدام مطيافية انبعاث الأشعة السينية (XES) على نطاق أوسع لم ينتشر إلا مع توفر حزم الأشعة السينية عالية الكثافة في مرافق إشعاع السنكروترون ، مما مكّن من قياس العينات المخففة (كيميائيًا). ^{[ 9 ]} إضافةً إلى التطورات التجريبية، فقد تحقق تقدم في الحسابات الكيميائية الكمومية، مما يجعل مطيافية انبعاث الأشعة السينية أداةً مثيرةً للاهتمام لدراسة البنية الإلكترونية للمركبات الكيميائية .

كان هنري موزلي ، وهو فيزيائي بريطاني، أول من اكتشف العلاقة بين${\displaystyle K_{\alpha }}$خطوط الامتصاص والأرقام الذرية للعناصر المدروسة. كانت هذه بداية علم مطيافية الأشعة السينية الحديث. لاحقًا، أمكن استخدام هذه الخطوط في التحليل العنصري لتحديد مكونات العينة.

اكتشف ويليام لورانس براغ لاحقًا علاقة بين طاقة الفوتون وانحرافه داخل البلورة. الصيغة التي وضعها،${\displaystyle n\lambda =2d\,\sin(\theta )}$، يقول إن فوتون الأشعة السينية ذو طاقة محددة ينحني بزاوية محددة بدقة داخل البلورة.

يُستخدم التحليل الطيفي للأشعة السينية (XES) اليوم بشكل أقل في التحليل العنصري. ومع ذلك، تتزايد قياسات...${\displaystyle K_{\beta }}$تكتسب أطياف الخطوط أهمية، حيث تصبح العلاقة بين هذه الخطوط والبنية الإلكترونية للذرة المتأينة أكثر تفصيلاً.

إذا أُثير إلكترون من المدار 1s الأساسي إلى مستوى الطاقة المستمر (خارج مستويات طاقة الذرات في المدارات الجزيئية)، فإن إلكترونات المدارات ذات الطاقة الأعلى تحتاج إلى فقدان الطاقة و"الهبوط" إلى الفجوة 1s التي تم إنشاؤها لتحقيق قاعدة هوند (الشكل 2). تحدث عمليات نقل الإلكترون هذه باحتمالات مختلفة (انظر ترميز سيغبان ).

لاحظ العلماء أنه بعد تأين ذرة فلز انتقالي ثلاثي الأبعاد مرتبطة بطريقة ما،${\displaystyle K_{\beta }}$تتغير شدة وطاقة الخطوط الطيفية بتغير حالة أكسدة المعدن ونوع الرابطة (الروابط). وقد أدى ذلك إلى ظهور طريقة جديدة للتحليل البنيوي.

يمكن لعمليات المسح عالية الدقة لهذه الخطوط تحديد مستوى الطاقة الدقيق والبنية التركيبية للمركب الكيميائي. إذا تجاهلنا أي انتقال لا يؤثر على إلكترونات التكافؤ، فلن يتبقى سوى آليتين رئيسيتين لانتقال الإلكترونات. أما إذا أضفنا المركبات الكيميائية لعناصر الفلزات الانتقالية ثلاثية الأبعاد، والتي قد تكون ذات دوران مغزلي عالٍ أو منخفض، فسنحصل على آليتين لكل تكوين دوراني. ^{[ 6 ]}

تحدد هاتان التكوينتان الدورانيتان الشكل العام لـ${\displaystyle K_{\beta 1,3}}$و${\displaystyle K_{\beta '}}$- الخطوط الرئيسية كما هو موضح في الشكلين الأول والثاني، بينما يتسبب التكوين الهيكلي للإلكترونات داخل المركب في اختلاف شدة الخطوط وتوسعها وذيولها وتوجيهها.${\displaystyle K_{\beta 2,5}}$و${\displaystyle K_{\beta ''}}$^{[ 6 ]} على الرغم من أن هذه المعلومات كثيرة، إلا أنه يجب دمجها مع قياسات الامتصاص لمنطقة ما يُسمى "ما قبل الحافة". تُعرف هذه القياسات باسم XANES ( بنية امتصاص الأشعة السينية بالقرب من الحافة ) .

في مرافق السنكروترون، يمكن إجراء هذا القياس في الوقت نفسه. ومع ذلك، فإن إعداد التجربة معقد للغاية ويتطلب أحاديات لون بلورية دقيقة ومضبوطة بدقة لحيود الحزمة المماسية القادمة من حلقة تخزين الإلكترونات. تُسمى هذه الطريقة HERFD، وهي اختصار لـ "الكشف عن التألق عالي الدقة للطاقة". تتميز طريقة التجميع هذه بأنها، بعد تجميع جميع الأطوال الموجية القادمة من "المصدر" المسمى${\displaystyle I_{0}}$ثم يُسلط الشعاع على حامل العينة المزود بكاشف خلفه لإجراء قياس امتصاص الأشعة السينية (XANES). تبدأ العينة نفسها بإصدار الأشعة السينية، وبعد توحيد لون هذه الفوتونات، يتم جمعها أيضًا. تستخدم معظم الأجهزة ثلاثة مُوحِّدات لون بلورية على الأقل أو أكثر.${\displaystyle I_{0}}$يُستخدم في قياسات الامتصاص كجزء من قانون بير-لامبرت في المعادلة

${\displaystyle E_{\lambda }=\log _{10}\left({\frac {I_{0}}{I_{1}}}\right)=\varepsilon _{\lambda }\cdot c\cdot d}$

أين${\displaystyle I_{1}}$هي شدة الفوتونات المنقولة. القيم المستلمة للامتصاص${\displaystyle E_{\lambda }}$تتميز هذه البيانات بخصائص محددة للطول الموجي، مما يُنتج طيف امتصاص. ويُظهر الطيف الناتج عن البيانات المُجمعة ميزة واضحة تتمثل في التخلص شبه الكامل من الإشعاع الخلفي مع الحفاظ على رؤية عالية الدقة للخصائص على حافة امتصاص معينة (الشكل 4).

في مجال تطوير محفزات جديدة لتخزين الطاقة وإنتاجها واستخدامها بكفاءة أكبر في شكل خلايا وقود الهيدروجين ومواد بطاريات جديدة، يركز البحث على${\displaystyle K_{\beta }}$أصبحت الأسطر ضرورية في الوقت الحاضر.

إن الشكل الدقيق لحالات الأكسدة المحددة للمعادن معروف في الغالب، ومع ذلك يتم قياس المركبات الكيميائية المنتجة حديثًا والتي لديها القدرة على أن تصبح محفزًا معقولًا للتحليل الكهربائي ، على سبيل المثال، بشكل يومي.

تشجع العديد من الدول إنشاء العديد من المرافق المختلفة في جميع أنحاء العالم في هذا المجال العلمي الفريد على أمل الحصول على طاقة نظيفة ومسؤولة ورخيصة. ^{[ 13 ]}

يُعد التحليل الطيفي لانبعاث الأشعة السينية اللينة (SXES) تقنية تجريبية لتحديد البنية الإلكترونية للمواد.

• مطيافية امتصاص الأشعة السينية

• مطيافية انبعاث الأشعة السينية اللينة – الوصف متوفر على الموقع الإلكتروني beamteam.usask.ca