Was ist Photoelektronenspektroskopie?

Photoelektronenspektroskopie ist eine Methode zur Analyse von Substanzen unter Verwendung des photoelektrischen Effekts. Wenn ein Photon mit einem Atom oder Molekül interagiert, kann es - wenn es genügend Energie hat - ein Elektron ausgeworfen wird. Das Elektron wird mit einer kinetischen Energie ausgestoßen, die von seinem anfänglichen Energiezustand und der Energie des eingehenden Photons abhängt. Die Wellenlänge des Photons bestimmt seine Energie, wobei kürzere Wellenlängen höhere Energien aufweisen. Durch die Bestrahlung einer Substanz mit Photonen einer bekannten Wellenlänge ist es möglich, Informationen über ihre chemische Zusammensetzung und andere Eigenschaften zu erhalten, indem die kinetischen Energien der ausgestoßenen Elektronen gemessen werden.

Wenn ein negativ geladenes Elektron aus einem Atom ausgeworfen wird, wird ein positives Ion gebildet und die für das Auswerfen eines Elektrons erforderliche Energiemenge wird als Ionisationsenergie oder Bindungsenergie bezeichnet. Elektronen sind in Orbitalen angeordnetDer Atomkern und mehr Energie ist erforderlich, um diejenigen nahe dem Kern zu verdrängen, als die in weiter entfernten Orbitalen. Die Ionisationsenergie eines Elektrons hängt hauptsächlich von der Ladung des Kerns ab - jedes chemische Element hat eine andere Anzahl von Protonen im Kern und damit eine andere Ladung - und auf das Orbital des Elektrons. Jedes Element hat sein eigenes einzigartiges Muster von Ionisationsenergien und in der Photoelektronenspektroskopie ist die Ionisationsenergie für jedes nachgewiesene Elektron einfach die Energie des eingehenden Photons abzüglich der kinetischen Energie des ausgestoßenen Elektrons. Da der erste Wert bekannt ist und der zweite gemessen werden kann, können die in einer Probe vorhandenen Elemente aus den beobachteten Ionisationsenergien bestimmt werden.

relativ energetische Photonen werden benötigt, um Elektronen auszuwerfen, was bedeutet, dass Strahlung in Richtung der hohen Energie, kurzes Wellenlängenende des elektromagnetischen Spektrums erforderlich ist. Dies hat zwei Hauptmethoden verursachtDS: Ultraviolette Photoelektronenspektroskopie (UPS) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS). Ultraviolette Strahlung kann nur die äußersten Valenzelektronen aus Molekülen auswerfen, Röntgenstrahlen können aufgrund ihrer höheren Energie Kernelektronen nahe am Kern auswerfen.

Röntgenphotoelektronenspektroskopie wird durch Bombardieren einer Probe mit Röntgenstrahlen bei einer einzelnen Frequenz und der Messung der Energien der emittierten Elektronen durchgeführt. Die Probe muss in eine ultrahohe Vakuumkammer platziert werden, um zu verhindern, dass Photonen und Elektronen von Gasen absorbiert werden, und um sicherzustellen, dass keine adsorbierten Gase auf der Probenoberfläche vorliegen. Die Energie der emittierten Elektronen wird durch Messen ihrer Ausbreitung innerhalb eines elektrischen Feldes bestimmt - diejenigen mit höheren Energien werden in geringerem Maße vom Feld abgelenkt. Da die Ionisierungsenergien von Kernelektronen auf etwas höhere Werte verschoben werden, wenn sich das betreffende Element in einem oxidierten Zustand befindet, kann diese Methode nicht nur Informationen liefernRmation über die vorhandenen Elemente, aber auch über ihre Oxidationszustände. Röntgenphotospektroskopie kann aufgrund der Anforderung an Vakuumbedingungen nicht für Flüssigkeiten verwendet werden und wird normalerweise für die Oberflächenanalyse fester Proben verwendet.

ultraviolettes Photoelektronenspektroskopie funktioniert auf ähnliche Weise, aber die Verwendung von Photonen im ultravioletten Bereich des Spektrums. Diese werden am häufigsten durch eine Gasentladungslampe unter Verwendung einer der edlen Gase wie Helium erzeugt, um Photonen einer einzelnen Wellenlänge bereitzustellen. UPS wurde zunächst verwendet, um Ionisationsenergien für gasförmige Moleküle zu bestimmen, wird jedoch häufig verwendet, um die elektronische Struktur von Materialien zu untersuchen.