[科普中国]-吸收突跃

X射线吸收谱学

X谱学可分为两个部分：X射线吸收近边谱和扩展X射线吸收精细结构谱。X射线吸收近边谱是在原子吸收边附近50eV范围内的精细结构，扩展X射线吸收精细结构谱是原子的射线吸收系数在吸收边30-1000eV高能侧甚至更高能量范围出现的振荡结构。尽管这两部分有相同的物理起源，都是由于X射线激发的光电子在中心吸收原子和配位原子间的散射效应所导致，但是解析吸收谱的这两部分却有所不同。X射线吸收近边谱对吸收原子的氧化态和配位化学环境（如八面体，四面体配位）非常敏感。而扩展X射线吸收精细结构谱能够在原子尺度上给出吸收原子周围几个近邻配位壳层的结构信息，包括配位原子的种类及其与吸收原子的距离、配位数、无序度等。

吸收突跃的定义一般在X射线吸收截面曲线的某些能量位置上出现吸收跳跃，称之为吸收突跃，或称吸收边，对应于某个壳层的电子电离能的位置。

吸收突跃的多种定义但在数据分析过程中，对吸收突跃的定义并不只是依据这个电离阈值，而是有多种定义。根据以往文献，至少有下面二种定义：“吸收突跃”被定义为嘴续阈”或者“电离阈”，即指光电子被激发到连续态的能量位置，或者说原子和分子中的真空能级，金属中的费米能级以及绝缘体中的导带底位置；“吸收突跃”定义在吸收系数刚好等于原子吸收系数台阶的半高处；“吸收突跃”定义为将芯能级中的电子激发到最低空能级的能量位置，如边前峰的起始位置。选择哪一种定义的位置，原则上是选择特征显著且不易混淆的点作为比如边前峰位置、吸收台阶起始位置、台阶半高、台阶边拐点、第一吸收峰顶等。值得注意的是，在处理同一系列样品时，对吸收突跃的界定要统一，否则数据不具备可比性1。

吸收突跃的产生当射线光子的能量高于时，与物质的原子核（或电子）发生相互作用，此时X射线光子放出全部能量，转化为一对正、负电子，这就是电子对效应。它只能发生在入射光子的能量等于或高于时，这是因为一对电子的静止质量相当于的能量，且主要发生在入射射线光子与原子核相互作用过程，光子从原子核旁边经过时，在核库场作用下，光子转化成一个正电子和一个负电子。由于电子对效应发生的几率与原子序数的平方成正比，所以电子对效应在原子序数较高、入射光子能量较高时是一种重要的作用。综上可知，当X射线照射到物质上时，X射线与物质的原子发生相互作用，由于产生光电效应、电子散射、退激发过程、电子对效应等，造成了原子对射线的吸收，使得透过物质后的射线强度减弱。射线与原子的这几种相互作用对原子吸收的贡献跟射线能量有直接的关系。

原子的吸收曲线在整个能量范围并不是单调变化的，而是会在某些个能量位置上出现吸收跳跃，称之为吸收突跃。它们的形成主要来源于光电效应。当入射射线的光子能量等于或大于被照射物质内某壳层上电子的电离能时，大量的光子会被吸收，使得大量的内壳层电子被电离成光电子，造成原子吸收系数的突变。因为不同元素不同壳层上的电子具有不同的电离能，使得这些吸收突跃的位置相当于元素的“指纹”信息，也因此X射线吸收谱具有元素选择性2。