Синхротронная радиация представляет собой интенсивное электромагнитное излучение, создаваемое релятивистскими электронами, движущимися по круговой траектории в магнитных полях синхротрона. Одним из ключевых аспектов применения синхротронного излучения в физике и химии является его способность предоставлять точную информацию о структуре вещества и химических сдвигах в атомных и молекулярных системах.
Высокая интенсивность и коллимированность синхротронного излучения позволяют проводить эксперименты с высокой энергетической и пространственной разрешающей способностью, что особенно важно для спектроскопии, дифракции и микроскопии.
Химический сдвиг — это изменение энергии электронных уровней атомов и молекул, обусловленное изменением их химического окружения. В контексте рентгеновской спектроскопии это проявляется как смещение пиков поглощения или испускания в XPS (рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия) или XAS (рентгеновский спектроскопический анализ).
В синхротронной спектроскопии химические сдвиги измеряются с точностью до десятых или сотых электронвольт, что делает возможным различение очень похожих химических состояний.
XPS использует высокоэнергетические рентгеновские фотоны для выбивания электронов из внутренних оболочек атомов. Энергия этих электронов зависит от химического окружения, что позволяет:
Особое значение имеет использование монохроматических синхротронных лучей, которые обеспечивают высокую энергетическую разрешающую способность и позволяют наблюдать малые химические сдвиги, недоступные традиционным лабораторным источникам.
XAS включает EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) и XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure). Эти методы дают информацию о:
EXAFS особенно чувствителен к межатомным расстояниям, тогда как XANES — к электронной плотности и химическим сдвигам, что делает комбинацию этих методов мощным инструментом для анализа структуры сложных материалов.
Синхротронные источники обеспечивают высокую яркость и коллимацию пучка, что позволяет:
Резонансная дифракция, использующая энергию рентгеновских фотонов близкую к краю поглощения элемента, позволяет выделять отдельные химические виды в сложных кристаллах.
Синхротронные методы томографии и микроскопии позволяют:
Синхротронная радиация позволяет отследить малейшие химические изменения на атомном уровне, делая возможным не только идентификацию элементов, но и детальное понимание их электронной и структурной среды.