espectroscopia de absorción de rayos X

La espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) es un conjunto de técnicas avanzadas que se utilizan para investigar el entorno local de la materia a nivel atómico y su estructura electrónica. ^{[ 1 ]} Los experimentos requieren acceso a instalaciones de radiación sincrotrón por sus haces de rayos X intensos y ajustables . Las muestras pueden estar en fase gaseosa, en solución o en estado sólido. ^{[ 2 ]}

Los datos XAS se obtienen ajustando la energía del fotón , ^{[ 3 ]} usando un monocromador cristalino, a un rango donde se pueden excitar los electrones del núcleo (0,1-100 keV). Los bordes se nombran, en parte, según qué electrón del núcleo se excita: los números cuánticos principales n = 1, 2 y 3, corresponden a los bordes K, L y M, respectivamente. ^{[ 4 ]} Por ejemplo, la excitación de un electrón 1s ocurre en el borde K , mientras que la excitación de un electrón 2s o 2p ocurre en un borde L (Figura 1).

En un espectro generado por datos XAS se encuentran tres regiones principales, que luego se consideran técnicas espectroscópicas separadas (Figura 2):

1. El umbral de absorción está determinado por la transición a los estados desocupados más bajos:
   1. los estados en el nivel de Fermi en los metales dan un "borde ascendente" con forma de arco tangente ;
   2. los excitones de núcleo ligados en aislantes con una forma de línea lorentziana (aparecen en una región previa al borde a energías inferiores a las transiciones al nivel desocupado más bajo);
2. La estructura de absorción de rayos X cerca del borde ( XANES ), introducida en 1980 y posteriormente en 1983 y también llamada NEXAFS (estructura fina de absorción de rayos X cerca del borde), que está dominada por transiciones de núcleo a estados cuasi ligados (resonancias de dispersión múltiple) para fotoelectrones con energía cinética en el rango de 10 a 150 eV por encima del potencial químico, llamadas "resonancias de forma" en espectros moleculares ya que se deben a estados finales de corta vida útil degenerados con el continuo con la forma de línea de Fano. En este rango, son relevantes las excitaciones multielectrónicas y los estados finales de muchos cuerpos en sistemas fuertemente correlacionados;
3. En el rango de alta energía cinética del fotoelectrón, la sección transversal de dispersión con átomos vecinos es débil, y los espectros de absorción están dominados por EXAFS (estructura fina de absorción de rayos X extendida), donde la dispersión del fotoelectrón eyectado por átomos vecinos puede aproximarse mediante eventos de dispersión simple. En 1985, se demostró que la teoría de dispersión múltiple puede utilizarse para interpretar tanto XANES como EXAFS ; por lo tanto, el análisis experimental que se centra en ambas regiones se denomina ahora XAFS .

La espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) es un tipo de espectroscopia de absorción que parte de un estado inicial del núcleo con una simetría bien definida; por lo tanto, las reglas de selección de la mecánica cuántica determinan la simetría de los estados finales en el continuo, que suelen ser una mezcla de múltiples componentes. Las características más intensas se deben a transiciones permitidas por dipolo eléctrico (es decir, Δℓ = ± 1) hacia estados finales desocupados. Por ejemplo, las características más intensas de un borde K se deben a transiciones del núcleo desde estados finales tipo 1s → p, mientras que las características más intensas del borde L3 _se deben a estados finales tipo 2p → d.

La metodología XAS se puede dividir a grandes rasgos en cuatro categorías experimentales que pueden producir resultados complementarios: borde K del metal , borde L del metal , borde K del ligando y EXAFS.

El método más obvio para mapear muestras heterogéneas más allá del contraste de absorción de rayos X es mediante análisis elemental por fluorescencia de rayos X, similar a los métodos EDX en microscopía electrónica. ^{[ 5 ]}

XAS es una técnica utilizada en diversos campos científicos, incluyendo la física molecular y de la materia condensada , ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} la ciencia e ingeniería de materiales , la química , las ciencias de la tierra y la biología . En particular, su sensibilidad única a la estructura local, en comparación con la difracción de rayos X , se ha aprovechado para estudiar:

• Sólidos amorfos y sistemas líquidos
• Soluciones sólidas
• Materiales dopantes y de implantación iónica para electrónica
• Distorsiones locales de las redes cristalinas
• Compuestos organometálicos
• Metaloproteínas
• cúmulos metálicos
• Catálisis
• Dinámica vibracional ^{[ 9 ]}
• Iones en soluciones
• Especiación de los elementos
• Agua líquida y soluciones acuosas
• Se utiliza para detectar fracturas óseas.
• Se utiliza para determinar la concentración de cualquier líquido en cualquier tanque.

• Estructura de absorción de rayos X cerca del borde (XANES)
• espectroscopia de emisión de rayos X

• Zhang M (15 de agosto de 2020). "XANES – Teoría" . Proyecto LibreTexts . Archivado del original el 2 de abril de 2015. Recuperado el 15 de marzo de 2015 .
• Newville M (25 de julio de 2008). "Fundamentos de XAFS" (PDF) . Chicago, IL: Universidad de Chicago.