Ionização de níveis internos em estruturas moleculares complexas e nanopartículas

Tese de doutoramento, Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2013A ionização de níveis internos está na origem da emissão de raios-X, cujos espectros proporcionam uma janela para a estrutura atómica de elementos e compostos. Tendo sido recentemente demonstrado que a intensidade relativa de riscas de raios-X induzidos por iões H+ e He2+ varia com a energia do feixe de iões e para diferentes compostos do mesmo elemento, contrariando o conhecimento estabelecido, observou-se que as intensidades relativas também dependem de o material se encontrar nanoestruturado ou em pastilha. O confronto de dados experimentais obtidos com detectores de alta resolução WDS e EDS dos elementos Si e Mo, de um filme em multicamadas de Ba-Ti e de nanopartículas de Gd, com valores de energias e taxas de transicão obtidas através de cálculos ab initio relativistas, mostra a existência de contribuições de transições para subcamadas diferentes das usualmente atribuídas a um determinado pico num espectro de emissão de raios-X, transições estas que envolvem estados com momentos angulares totais elevados. Por outro lado, a análise de espectros de alta resolução¸ de Mo, obtidos com iões H+ com energias entre 0.5 MeV e 1.0 MeV, torna clara a dependência da forma do pico Lβ3;4 da energia do ião incidente, indicando que esta variação está relacionada com o processo de ionização. Deste modo, mostrase que no processo de ionização os iões incidentes no material produzem efeitos sobre o átomo alvo que se reflectem no acoplamento de momentos angulares e, de forma indirecta, nas taxas de transição entre estados, que se traduzem na intensidade dos picos observados nos espectros de emissão de raios-X. Demonstrando-se, assim, que é necessário incluir nas teorias de ionização a influência das orbitais externas nas orbitais internas com lacunas para explicar os resultados de variações de razões de intensidades dependentes da energia do ião incidente observadas em estruturas moleculares complexas e nanopartículas.X-ray emission is the result of inner-shell ionisation and X-ray emission spectra are a window to the atomic structure of elements and compounds. It has recently been shown that X-ray line ratios induced by H+ and He2+ ion beams vary with the beam energy, contradicting the established knowledge. Furthermore, it was observed that X-ray line ratios seem also to be dependent on the sample being a nanostructured material or bulk material of the same compound. The comparison of the elements Si and Mo along with the Ba-Ti thin film and Gd nanoparticles experimental data obtained with high resolution WDS and EDS detectors, with transition energies and rates values obtained from ab initio relativistic calculations, shows the existence of contributions from electronic transitions to different sub-shells other than the electronic transitions usually associated with a specific peak in a X-ray emission spectrum, involving atomic states that possess high total angular magnetic moment. On the other hand, the analysis of high resolution Mo spectra, collected using 0.5 MeV to 1.0 MeV H+ ion beams, makes clear the dependence of the shape of the Lβ3;4 peak on the ion beam energy, suggesting that the observed variation is related to the ionisation process. This shows that, during the ionisation process, the incident ions produce effects on the target atom that are reflected on the total angular momentum coupling and, indirectly, on the transition rates, which, in turn, are reflected on the X-ray intensities of an observed peak of a X-ray emission spectrum. It is, thus, shown here that it is necessary to include the contribution of the outer-shells in the current inner-shell ionisation theories to be able to explain the intensity ratios variation dependence on the ion energy observed for complex molecular structures and nanoparticles.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT, SFRH/BD/43379/2008