Рентгеновское комбинационное рассеяние (XRS) — это нерезонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей от электронов ядра . Оно аналогично колебательному комбинационному рассеянию , которое является широко используемым инструментом в оптической спектроскопии, с той разницей, что длины волн возбуждающих фотонов попадают в рентгеновский режим, а соответствующие возбуждения исходят от электронов глубокого ядра.
XRS — это спектроскопический инструмент для изучения электронной структуры вещества , специфичный для определенных элементов . В частности, он исследует плотность состояний возбужденного состояния (DOS) атомных видов в образце. [1]
XRS — это процесс неупругого рассеяния рентгеновских лучей , в котором высокоэнергетический рентгеновский фотон передает энергию электронному ядру, возбуждая его в незанятое состояние. Процесс в принципе аналогичен поглощению рентгеновских лучей (XAS), но передача энергии играет роль энергии рентгеновского фотона, поглощенной при поглощении рентгеновских лучей, точно так же, как при комбинационном рассеянии в оптике. Колебательные возбуждения низкой энергии можно наблюдать, изучая спектр света, рассеянного молекулой.
Поскольку энергия (и, следовательно, длина волны) зондирующего рентгеновского излучения может быть выбрана свободно и обычно находится в режиме жесткого рентгеновского излучения, преодолеваются определенные ограничения мягкого рентгеновского излучения в исследованиях электронной структуры материала. Например, исследования мягкого рентгеновского излучения могут быть поверхностно-чувствительными и требуют вакуумной среды. Это делает невозможным изучение многих веществ, таких как многочисленные жидкости, с использованием поглощения мягкого рентгеновского излучения. Одним из наиболее заметных приложений, в которых рамановское рассеяние рентгеновских лучей превосходит поглощение мягкого рентгеновского излучения, является изучение краев поглощения мягкого рентгеновского излучения при высоком давлении . В то время как высокоэнергетические рентгеновские лучи могут проходить через аппарат высокого давления, такой как ячейка с алмазными наковальнями , и достигать образца внутри ячейки, мягкие рентгеновские лучи будут поглощаться самой ячейкой.
В своем отчете об обнаружении нового типа рассеяния сэр Чандрасекхара Венката Раман предположил, что аналогичный эффект должен быть обнаружен также в рентгеновском режиме. Примерно в то же время Берген Дэвис и Дана Митчелл в 1928 году сообщили о тонкой структуре рассеянного излучения графита и отметили, что у них были линии, которые, казалось, согласуются с энергией оболочки углерода K. [2] Несколько исследователей пытались провести подобные эксперименты в конце 1920-х и начале 1930-х годов, но результаты не всегда могли быть подтверждены. Часто первые недвусмысленные наблюдения эффекта XRS приписывают К. Дасу Гупте (сообщил о результатах в 1959 году) и Тадасу Сузуки (сообщил о 1964 году). Вскоре было обнаружено, что пик XRS в твердых телах был расширен за счет твердотельных эффектов и появился в виде полосы с формой, похожей на форму спектра XAS. Потенциал метода был ограничен, пока не стали доступны современные источники синхротронного света . Это связано с очень малой вероятностью XRS падающих фотонов, требующей излучения с очень высокой интенсивностью . Сегодня методы XRS быстро приобретают все большую значимость. Их можно использовать для изучения тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей вблизи края (NEXAFS или XANES), а также тонкой структуры расширенного поглощения рентгеновских лучей (EXAFS).
XRS относится к классу нерезонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей, которое имеет сечение
Здесь, - сечение Томсона , которое означает, что рассеяние происходит с помощью электромагнитных волн от электронов. Физика изучаемой системы зарыта в динамическом структурном факторе , который является функцией передачи импульса и передачи энергии . Динамический структурный фактор содержит все нерезонансные электронные возбуждения, включая не только возбуждения остовных электронов, наблюдаемые в рентгеновском спектроскопии, но также, например, плазмоны , коллективные флуктуации валентных электронов и комптоновское рассеяние .
В 1967 году Юкио Мизуно и Ёсихиро Омура показали, что при малых передачах импульса вклад XRS динамического структурного фактора пропорционален спектру поглощения рентгеновских лучей. Главное отличие состоит в том, что в то время как вектор поляризации света связывается с импульсом поглощающего электрона в XAS, в XRS импульс падающего фотона связывается с зарядом электрона. Из-за этого передача импульса XRS играет роль поляризации фотона в XAS.
