X線吸収分光法

X線吸収分光法（XAS）は、原子レベルでの物質の局所環境とその電子構造を調べるために用いられる高度な技術群です。^{[ 1 ]}この実験には、強力で波長可変なX線ビームを得られるシンクロトロン放射施設へのアクセスが必要です。試料は気相、溶液、固体のいずれでも構いません。^{[ 2 ]}

XASデータは、結晶モノクロメーターを使用して光子エネルギーをコア電子が励起される範囲（0.1～100 keV）に調整することによって取得されます。 ^{[ 3 ]}エッジは、励起されるコア電子によって部分的に命名されます。主量子数n = 1、2、および3は、それぞれKエッジ、Lエッジ、およびMエッジに対応します。^{[ 4 ]}例えば、1s電子の励起はKエッジで発生し、2sまたは2p電子の励起はLエッジで発生します（図1）。

XASデータによって生成されたスペクトルには主に3つの領域があり、これらはそれぞれ独立した分光技術として考えられています（図2）。

1. 最低空状態への遷移によって決定される吸収閾値：
   1. 金属のフェルミ準位における状態は、アークタンジェント形状の「立ち上がりエッジ」を示す。
   2. ローレンツ型線形形状を持つ絶縁体中の束縛コア励起子 （最低非占有準位への遷移よりも低いエネルギーのプレエッジ領域に現れる）。
2. 1980年、後に1983年に導入され、NEXAFS（近端X線吸収微細構造）とも呼ばれるX線吸収近端構造（XANES）は、化学ポテンシャルより10～150 eVの範囲の運動エネルギーを持つ光電子の準束縛状態へのコア遷移（多重散乱共鳴）が支配的であり、ファノ線形形状を持つ連続体と縮退した短寿命の最終状態によるものであるため、分子スペクトルでは「形状共鳴」と呼ばれています。この範囲では、強相関系における多電子励起と多体最終状態が関係します。
3. 光電子の高運動エネルギー領域では、近傍原子との散乱断面積が弱く、吸収スペクトルはEXAFS（拡張X線吸収微細構造）が支配的であり、放出された光電子の近傍原子への散乱は単一散乱事象で近似できる。1985年に、多重散乱理論を用いてXANESとEXAFSの両方を解釈できることが示されたため、現在では両方の領域に焦点を当てた実験的解析はXAFSと呼ばれている。

XASは、明確な対称性を持つコア初期状態からの吸収分光法の一種です。そのため、量子力学的選択則によって、連続スペクトル中の最終状態の対称性が選択されます。最終状態は通常、複数の成分の混合物です。最も強いピークは、電気双極子許容遷移（すなわちΔℓ = ± 1）から非占有最終状態への遷移によるものです。例えば、K端の最も強いピークは1s → p様最終状態からのコア遷移によるものであり、 _L3端の最も強いピークは2p → d様最終状態によるものです。

XAS法は、大きく分けて4つの実験カテゴリーに分類でき、それぞれが相補的な結果をもたらす可能性がある。すなわち、金属K端、金属L端、配位子K端、およびEXAFSである。

X線吸収コントラスト以外の不均一なサンプルをマッピングする最も明白な方法は、電子顕微鏡のEDX法と同様に、X線蛍光による元素分析を行うことである。^{[ 5 ]}

XASは、分子物理学や凝縮系物理学^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} 、材料科学・工学、化学、地球科学、生物学など、さまざまな科学分野で用いられる技術です。特に、 X線回折と比較して局所構造に対する独自の感度を持つため、以下の研究に活用されています。

• 非晶質固体および液体システム
• 固溶体
• 電子機器用ドーピングおよびイオン注入材料
• 結晶格子の局所的な歪み
• 有機金属化合物
• メタロプロテイン
• 金属クラスター
• 触媒作用
• 振動力学^{[ 9 ]}
• 溶液中のイオン
• 元素の化学種
• 液体の水および水溶液
• 骨折の検出に使用される
• タンク内のあらゆる液体の濃度を測定するために使用されます。

• X線吸収端近傍構造（XANES）
• X線発光分光法

• Zhang M (2020年8月15日). "XANES – 理論" . LibreTexts Project . 2015年4月2日のオリジナルからアーカイブ済み. 2015年3月15日取得.
• Newville M (2008年7月25日). 「XAFSの基礎」(PDF) . シカゴ、イリノイ州: シカゴ大学。