Qu'est-ce que la spectroscopie photoélectronique?

La spectroscopie photoélectronique est une méthode d'analyse des substances en utilisant l'effet photoélectrique. Lorsqu'un photon interagit avec un atome ou une molécule, il peut - s'il a suffisamment d'énergie - provoquer l'éjection d'un électron. L'électron est éjecté d'une énergie cinétique qui dépend de son état d'énergie initial et de l'énergie du photon entrant. La longueur d'onde du photon détermine son énergie, avec des longueurs d'onde plus courtes ayant des énergies plus élevées. En irradiant une substance avec des photons d'une longueur d'onde connue, il est possible d'obtenir des informations sur sa composition chimique et d'autres propriétés, en mesurant les énergies cinétiques des électrons éjectés.

Lorsqu'un électron chargé négativement est éjecté d'un atome, un ion positif est formé et la quantité d'énergie nécessaire pour éjecter un électron est connue sous le nom d'énergie d'ionisation ou d'énergie de liaison. Les électrons sont disposés en orbitales autourLe noyau atomique et plus d'énergie sont nécessaires pour déloger ceux à proximité du noyau que ceux des orbitales plus éloignées. L'énergie d'ionisation d'un électron dépend principalement de la charge du noyau - chaque élément chimique a un nombre différent de protons dans le noyau et donc une charge différente - et de l'orbitale de l'électron. Chaque élément a son propre schéma unique d'énergies d'ionisation et dans la spectroscopie photoélectronique, l'énergie d'ionisation pour chaque électron détecté est simplement l'énergie du photon entrant moins l'énergie cinétique de l'électron éjecté. Étant donné que la première valeur est connue et que la seconde peut être mesurée, les éléments présents dans un échantillon peuvent être déterminés à partir des modèles d'énergie d'ionisation observés.

Des photons relativement énergiques sont nécessaires pour éjecter des électrons, ce qui signifie que le rayonnement vers la grande énergie, une longueur d'onde à l'extrémité du spectre électromagnétique est nécessaire. Cela a donné naissance à deux métho principauxDS: Spectroscopie photoélectronique ultraviolet (UPS) et spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS). Le rayonnement ultraviolet est uniquement capable d'éjecter les électrons de valence les plus externes des molécules, mais les rayons X peuvent éjecter des électrons centraux près du noyau en raison de leur énergie plus élevée.

La spectroscopie photoélectronique à rayons X

est effectuée en bombardant un échantillon avec des rayons X à une seule fréquence et en mesurant les énergies des électrons émis. L'échantillon doit être placé dans une chambre à vide ultra-élevée afin d'empêcher les photons et les électrons émis absorbés par les gaz et de s'assurer qu'il n'y a pas de gaz adsorbés sur la surface de l'échantillon. L'énergie des électrons émises est déterminée en mesurant leur dispersion dans un champ électrique - ceux qui ont des énergies plus élevées seront déviés dans une moindre mesure par le champ. Étant donné que les énergies d'ionisation des électrons centrales sont déplacées vers des valeurs légèrement plus élevées lorsque l'élément concerné est à l'état oxydé, cette méthode peut non seulement fournir des informationsRMation sur les éléments présents, mais aussi sur leurs états d'oxydation. La photoscopie à rayons X ne peut pas être utilisée pour les liquides en raison de l'exigence de conditions de vide et est normalement utilisée pour l'analyse de surface des échantillons solides.

La spectroscopie photoélectronique ultraviolette fonctionne de manière similaire, mais en utilisant des photons dans la gamme ultraviolette du spectre. Ceux-ci sont le plus souvent produit par une lampe à décharge de gaz en utilisant l'un des gaz nobles, tels que l'hélium, pour fournir des photons d'une seule longueur d'onde. UPS a d'abord été utilisé pour déterminer les énergies d'ionisation pour les molécules gazeuses, mais est désormais souvent utilisée pour étudier la structure électronique des matériaux.