光電子分光法とは何ですか？

光電子分光法は、光電効果を使用して物質を分析する方法です。 光子が原子または分子と相互作用すると、エネルギーが十分であれば、電子が放出されます。 電子は、その初期エネルギー状態と入射光子のエネルギーに依存する運動エネルギーで放出されます。 光子の波長がエネルギーを決定し、短い波長ほど高いエネルギーを持ちます。 既知の波長の光子を物質に照射することにより、放出された電子の運動エネルギーを測定することにより、その化学組成およびその他の特性に関する情報を取得できます。

負に帯電した電子が原子から放出されると、正イオンが形成され、電子を放出するのに必要なエネルギー量は、イオン化エネルギーまたは結合エネルギーとして知られています。 電子は原子核の周りの軌道に配置されており、原子核に近いものを追い出すには、より遠い軌道にあるものよりも多くのエネルギーが必要です。 電子のイオン化エネルギーは主に核の電荷に依存します-各化学元素は核内のプロトンの数が異なるため、電荷が異なります-そして電子の軌道に依存します。 各要素にはイオン化エネルギーの独自のパターンがあり、光電子分光法では、検出される各電子のイオン化エネルギーは、単に入射光子のエネルギーから放出電子の運動エネルギーを引いたものです。 最初の値は既知であり、2番目の値は測定できるため、サンプルに存在する元素は、観測されたイオン化エネルギーのパターンから決定できます。

電子を放出するには、比較的エネルギーの高い光子が必要です。つまり、電磁スペクトルの高エネルギーで短波長の端に向かう放射が必要です。 これにより、紫外線光電子分光法（UPS）とX線光電子分光法（XPS）の2つの主な方法が生まれました。 紫外線は分子から最も外側の価電子のみを放出できますが、X線はエネルギーが高いため、核に近いコア電子を放出できます。

X線光電子分光法は、単一周波数のX線を試料に照射し、放出された電子のエネルギーを測定することにより実行されます。 光子と放出電子がガスに吸収されるのを防ぎ、サンプル表面に吸着ガスがないことを保証するために、サンプルを超高真空チャンバーに入れる必要があります。 放出された電子のエネルギーは、電場内での分散を測定することで決定されます。高エネルギーのものは、電場による偏向の程度が小さくなります。 関連する元素が酸化状態にある場合、コア電子のイオン化エネルギーはわずかに高い値にシフトするため、この方法は存在する元素だけでなく、それらの酸化状態に関する情報も提供できます。 X線光分光法は、真空条件が必要なため液体には使用できず、通常は固体サンプルの表面分析に使用されます。

紫外光電子分光法も同様に機能しますが、スペクトルの紫外領域の光子を使用します。 これらは、ヘリウムなどの希ガスの1つを使用して単一波長の光子を提供するガス放電ランプによって最も一般的に生成されます。 UPSは、気体分子のイオン化エネルギーを決定するために最初に使用されましたが、現在では材料の電子構造を調べるためにしばしば使用されています。