Hvad er fotoelektron spektroskopi?
Photoelectron spectroscopy er en metode til analyse af stoffer ved hjælp af den fotoelektriske effekt. Når et foton interagerer med et atom eller molekyle, kan det - hvis det har nok energi - få et elektron til at blive kastet ud. Elektronen skubbes ud med en kinetisk energi, der afhænger af dens oprindelige energitilstand og energien fra den indkommende foton. Fotonens bølgelængde bestemmer dens energi, med kortere bølgelængder med højere energi. Ved at bestråle et stof med fotoner med en kendt bølgelængde er det muligt at få information om dets kemiske sammensætning og andre egenskaber ved at måle de kinetiske energier i de udkastede elektroner.
Når et negativt ladet elektron skubbes ud fra et atom, dannes en positiv ion, og den mængde energi, der kræves for at sprøjte et elektron, kaldes ioniseringsenergien eller bindingsenergien. Elektroner er arrangeret i orbitaler omkring atomkernen, og der kræves mere energi for at fjerne dem, der er tæt på kernen, end dem i fjernere orbitaler. En elektrones ioniseringsenergi afhænger hovedsageligt af ladningen på kernen - hvert kemisk element har et andet antal protoner i kernen og derfor en anden ladning - og af elektronens orbital. Hvert element har sit eget unikke mønster af ioniseringsenergier og i fotoelektronspektroskopi er ioniseringsenergien for hvert elektron, der detekteres, simpelthen energien fra det indkommende foton minus den kinetiske energi fra det udsatte elektron. Da den første værdi er kendt, og den anden kan måles, kan elementerne, der findes i en prøve, bestemmes ud fra de observerede ioniseringsenergier.
Der er behov for relativt energiske fotoner for at skubbe ud elektroner, hvilket betyder, at stråling mod den høje energi, korte bølgelængde af det elektromagnetiske spektrum er påkrævet. Dette har givet anledning til to hovedmetoder: ultraviolet fotoelektronspektroskopi (UPS) og røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS). Ultraviolet stråling er kun i stand til at skubbe de yderste, valenselektroner fra molekyler ud, men røntgenstråler kan skubbe kerneelektroner tæt på kernen på grund af deres højere energi.
Røntgenfotoelektronspektroskopi udføres ved at bombardere en prøve med røntgenstråler på en enkelt frekvens og måle energien for de udsendte elektroner. Prøven skal placeres i et ultrahøjvakuumkammer for at forhindre, at fotoner og udsendte elektroner absorberes af gasser og for at sikre, at der ikke er adsorberede gasser på prøveoverfladen. Energien fra de udsendte elektroner bestemmes ved at måle deres spredning inden for et elektrisk felt - dem med højere energi vil blive afbøjet i mindre grad af feltet. Da ioniseringsenergierne i kerneelektroner skiftes til lidt højere værdier, når det pågældende element er i en oxideret tilstand, kan denne metode ikke kun give information om de tilstedeværende elementer, men også om deres oxidationstilstande. Røntgenfoto-elektroskopi kan ikke bruges til væsker på grund af kravet til vakuumforhold og bruges normalt til overfladeanalyse af faste prøver.
Ultraviolet fotoelektronspektroskopi fungerer på en lignende måde, men ved hjælp af fotoner i spektrumets ultraviolette rækkevidde. Disse produceres mest af en gasudladningslampe, der bruger en af de ædelgasser, såsom helium, for at tilvejebringe fotoner med en enkelt bølgelængde. UPS blev først brugt til at bestemme ioniseringsenergier for gasformige molekyler, men anvendes nu ofte til at undersøge den elektroniske struktur af materialer.