La dispersión Raman de rayos X (XRS) es una dispersión inelástica no resonante de rayos X desde los electrones del núcleo . Es análoga a la dispersión Raman vibracional , que es una herramienta ampliamente utilizada en espectroscopia óptica, con la diferencia de que las longitudes de onda de los fotones excitantes caen en el régimen de rayos X y las excitaciones correspondientes provienen de electrones del núcleo profundo.
La XRS es una herramienta espectroscópica específica de elementos para estudiar la estructura electrónica de la materia . En particular, investiga la densidad de estados excitados (DOS) de una especie atómica en una muestra. [1]
La XRS es un proceso de dispersión inelástica de rayos X , en el que un fotón de rayos X de alta energía cede energía a un electrón central, excitándolo a un estado desocupado. El proceso es en principio análogo a la absorción de rayos X (XAS), pero la transferencia de energía desempeña el papel de la energía del fotón de rayos X absorbida en la absorción de rayos X, exactamente como en la dispersión Raman en óptica, las excitaciones vibracionales de baja energía se pueden observar estudiando el espectro de luz dispersada desde una molécula.
Debido a que la energía (y por lo tanto la longitud de onda) de los rayos X de sondeo se puede elegir libremente y generalmente está en el régimen de rayos X duros, se superan ciertas restricciones de los rayos X suaves en los estudios de la estructura electrónica del material. Por ejemplo, los estudios de rayos X suaves pueden ser sensibles a la superficie y requieren un entorno de vacío. Esto hace que los estudios de muchas sustancias, como numerosos líquidos, sean imposibles utilizando la absorción de rayos X suaves. Una de las aplicaciones más notables en las que la dispersión Raman de rayos X es superior a la absorción de rayos X suaves es el estudio de los bordes de absorción de rayos X suaves a alta presión . Mientras que los rayos X de alta energía pueden pasar a través de un aparato de alta presión como una celda de yunque de diamante y alcanzar la muestra dentro de la celda, los rayos X suaves serían absorbidos por la propia celda.
En su informe sobre el descubrimiento de un nuevo tipo de dispersión, Sir Chandrasekhara Venkata Raman propuso que también se debería encontrar un efecto similar en el régimen de rayos X. Casi al mismo tiempo, Bergen Davis y Dana Mitchell informaron en 1928 sobre la estructura fina de la radiación dispersada del grafito y observaron que tenían líneas que parecían estar de acuerdo con la energía de la capa K del carbono. [2] Varios investigadores intentaron experimentos similares a fines de la década de 1920 y principios de la de 1930, pero los resultados no siempre pudieron confirmarse. A menudo, las primeras observaciones inequívocas del efecto XRS se atribuyen a K. Das Gupta (hallazgos informados en 1959) y Tadasu Suzuki (informado en 1964). Pronto se advirtió que el pico XRS en sólidos se ensanchaba por los efectos del estado sólido y aparecía como una banda, con una forma similar a la de un espectro XAS. El potencial de la técnica fue limitado hasta que estuvieron disponibles las fuentes de luz de sincrotrón modernas. Esto se debe a la muy pequeña probabilidad de XRS de los fotones incidentes, lo que requiere radiación con una intensidad muy alta . Hoy en día, las técnicas de XRS están creciendo rápidamente en importancia. Se pueden utilizar para estudiar la estructura fina de absorción de rayos X en el borde cercano (NEXAFS o XANES), así como la estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS).
XRS pertenece a la clase de dispersión de rayos X inelástica no resonante, que tiene una sección transversal de
Aquí, se encuentra la sección eficaz de Thomson , lo que significa que la dispersión es la de las ondas electromagnéticas de los electrones. La física del sistema en estudio está enterrada en el factor de estructura dinámica , que es una función de la transferencia de momento y la transferencia de energía . El factor de estructura dinámica contiene todas las excitaciones electrónicas no resonantes, incluidas no solo las excitaciones de los electrones centrales observadas en XRS, sino también, por ejemplo, los plasmones , las fluctuaciones colectivas de los electrones de valencia y la dispersión Compton .
En 1967, Yukio Mizuno y Yoshihiro Ohmura demostraron que, en el caso de transferencias de momento pequeñas, la contribución de la XRS al factor de estructura dinámica es proporcional al espectro de absorción de rayos X. La principal diferencia es que, mientras que en la XAS el vector de polarización de la luz se acopla al momento del electrón absorbente, en la XRS el momento del fotón incidente se acopla a la carga del electrón. Por ello, la transferencia de momento de la XRS desempeña el papel de polarización de los fotones de la XAS.
