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Spectrométrie d'absorption des rayons X

La spectrométrie d'absorption des rayons X aide à déterminer la structure d'un matériau. Elle a l'avantage d'être sélective quant à l'espèce atomique observée.

Exemple de spectre d'absorption

Histoire

On doit à Maurice de Broglie les premiers spectres d'absorption des rayons X (La spectrométrie d'absorption des rayons X aide à déterminer la structure d'un matériau. Elle a l'avantage d'être sélective quant à l'espèce...), en 1913. En faisant varier l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) du faisceau, il constata des sauts dans l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est...) qu'il attribua à des transitions d'électrons de c?ur vers des couches libres ou le continuum. Des expériences plus précises menées par Fricke et Hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du système international (SI). Elle est équivalente...) (1920) montrèrent qu'à ces sauts se superposaient des oscillations qui furent attribuées par Ralph Kronig (1931, 1932) à la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de « vaporisation » (diffuseur...) du photo-électron par le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit...).

Dispositif expérimental

Avant l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :), on trouve une source de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) X (un synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) par exemple), un monochromateur (Un monochromateur est un dispositif utilisé en optique pour sélectionner une gamme la plus étroite possible de longueurs d'onde à partir d'un faisceau lumineux...) pour sélectionner une énergie et un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été...) pour mesurer le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens...) incident. Une partie du rayonnement sera absorbé par l'échantillon. Il existe diverses méthodes pour mesurer l'absorption. La méthode directe consiste à mesurer le flux transmis à travers l'échantillon mais elle ne convient que pour les énergies élevées. Pour les énergies plus faibles on pourra mesurer la fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière froide »). Elle peut servir à caractériser un matériau.) ou le courant des électrons éjectés du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...).

Théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...)

Quand le rayonnement X correspond à l'énergie de transition d'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un...) depuis un niveau du c?ur de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement...) vers un niveau du continuum, on observe un seuil d'absorption, l'électron est éjecté. Suivant l'orbitale qu'occupait l'électron, on parlera de seuil K, L1,... Comme ces énergies sont spécifiques à une espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique. L'espèce est un...) atomique donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un...), la mesure est sélective (on pourra spécifiquement mesurer l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement...) d'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) ou d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), etc.). L'électron sera alors diffusé par l'environnement de l'atome absorbeur, c'est pourquoi l'absorption des rayonnements X est en quelque sorte une expérience de diffusion des électrons.

L'électron éjecté, s'il est diffusé par les atomes voisins (ce qui dépendra de son énergie), pourra " revenir " à son atome de départ et donc interférer avec lui-même. On parle de diffusion multiple si l'électron est diffusé par plusieurs atomes et de diffusion simple s'il n'est diffusé que par un seul atome (il fait un aller-retour). Comme l'énergie de l'électron éjecté dépend de l'énergie du faisceau de rayonnement X, on observe des oscillations dans le spectre de l'absorption en fonction de l'énergie (oscillations de Kronig).

Quand l'énergie est à peine supérieure au seuil, les diffusions multiples sont dominantes. L'analyse de cette partie du spectre se nomme le XANES. À des énergies plus élevées, la diffusion simple devient dominante, l'analyse du spectre donne des informations sur les distances interatomiques et on parle d'EXAFS.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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