Co je fotoelektronová spektroskopie?
Fotoelektronová spektroskopie je metoda analýzy látek pomocí fotoelektrického jevu. Když foton interaguje s atomem nebo molekulou, může - pokud má dostatek energie - způsobit, že dojde k vypuštění elektronu. Elektron je vypuzován kinetickou energií, která závisí na jeho počátečním stavu energie a energii přicházejícího fotonu. Vlnová délka fotonu určuje jeho energii, přičemž kratší vlnové délky mají vyšší energii. Ožarováním látky fotony o známé vlnové délce je možné získat informace o jejím chemickém složení a dalších vlastnostech měřením kinetických energií vypuzovaných elektronů.
Když je záporně nabitý elektron vytlačen z atomu, vytvoří se pozitivní ion a množství energie potřebné k vypuštění elektronu je známo jako ionizační energie nebo vazebná energie. Elektrony jsou uspořádány v orbitálech kolem atomového jádra a k dislokaci těch, které jsou blízko jádra, je zapotřebí více energie než ve vzdálených orbitalech. Ionizační energie elektronu závisí hlavně na náboji na jádru - každý chemický prvek má v jádru odlišný počet protonů, a tedy jiný náboj - a na orbitále elektronů. Každý prvek má svůj vlastní jedinečný vzor ionizačních energií a ve fotoelektronové spektroskopii je ionizační energie pro každý elektron, která je detekována, jednoduše energie přicházejícího fotonu mínus kinetická energie vypuzovaného elektronu. Protože první hodnota je známa a druhá může být měřena, prvky přítomné ve vzorku mohou být určeny ze vzorců pozorovaných ionizačních energií.
K vysunutí elektronů jsou zapotřebí relativně energetické fotony, což znamená, že je vyžadováno záření směrem k vysokému energii, krátkému konci vlnové délky elektromagnetického spektra. To vedlo ke dvěma hlavním metodám: ultrafialová fotoelektronová spektroskopie (UPS) a rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS). Ultrafialové záření je schopno vyhnat nejvzdálenější valenční elektrony z molekul, ale rentgenové paprsky mohou díky své vyšší energii vytlačit jádrové elektrony blízko jádra.
Rentgenová fotoelektronová spektroskopie se provádí bombardováním vzorku rentgenovými paprsky při jediné frekvenci a měřením energie emitovaných elektronů. Vzorek musí být umístěn do ultra-vysoké vakuové komory, aby se zabránilo absorpci fotonů a emitovaných elektronů plyny a aby se zajistilo, že na povrchu vzorku nebudou žádné adsorbované plyny. Energie emitovaných elektronů je určena měřením jejich rozptylu v elektrickém poli - ty s vyšší energií budou polem vychýleny v menší míře. Protože ionizační energie jádrových elektronů jsou posunuty na mírně vyšší hodnoty, když je dotyčný prvek v oxidovaném stavu, může tato metoda poskytnout nejen informace o přítomných prvcích, ale také o jejich oxidačních stavech. Rentgenová fotospektroskopie nemůže být použita pro kapaliny z důvodu požadavků na vakuum a obvykle se používá pro povrchovou analýzu pevných vzorků.
Ultrafialová fotoelektronová spektroskopie funguje podobným způsobem, ale používá fotony v ultrafialové oblasti spektra. Tito jsou nejvíce obyčejně produkováni výbojkou plynu používat jeden z ušlechtilých plynů, takový jako helium, poskytovat fotony jediné vlnové délky. UPS byla poprvé použita pro stanovení ionizačních energií pro plynné molekuly, ale nyní se často používá ke zkoumání elektronické struktury materiálů.