Spectrométrie d'absorption des rayons X - Définition et Explications

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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...), 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...) 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...) qu'il attribua à des transitions d'électrons de cœur 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...) (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...) du photo-électron par le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...).

Dispositif expérimental

Avant l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...), on trouve une source de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) X (un synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute...) par exemple), un monochromateur (Un monochromateur est un dispositif utilisé en optique pour sélectionner une gamme la plus...) pour sélectionner une énergie et un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) pour mesurer le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) 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...) ou le courant des électrons éjectés du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...).

Théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...)

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...) depuis un niveau du cœur de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) 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 »...) atomique donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...), 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...) d'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...) ou d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...), 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.

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