Hva er fotoelektron spektroskopi?

Fotoelektronspektroskopi er en metode for å analysere stoffer ved bruk av den fotoelektriske effekten. Når et foton interagerer med et atom eller molekyl, kan det - hvis det har nok energi - føre til at et elektron kastes ut. Elektronet kastes ut med en kinetisk energi som er avhengig av dens opprinnelige energitilstand og energien til det innkommende fotonet. Bølgelengden til fotonet bestemmer energien, med kortere bølgelengder som har høyere energi. Ved å bestråle et stoff med fotoner med en kjent bølgelengde, er det mulig å få informasjon om dets kjemiske sammensetning og andre egenskaper ved å måle de kinetiske energiene til de kastede elektronene.

Når et negativt ladet elektron kastes ut fra et atom, dannes et positivt ion, og mengden energi som kreves for å utstøte et elektron kalles ioniseringsenergi eller bindingsenergi. Elektroner er ordnet i orbitaler rundt atomkjernen, og det kreves mer energi for å løsrive de nær kjernen enn de i fjernere orbitaler. Ioniseringsenergien til et elektron avhenger hovedsakelig av ladningen på kjernen - hvert kjemisk element har et annet antall protoner i kjernen og derfor en annen ladning - og av elektronens bane. Hvert element har sitt eget unike mønster av ioniseringsenergier og i fotoelektronspektroskopi er ioniseringsenergien for hvert elektron som blir oppdaget ganske enkelt energien til det innkommende foton minus den kinetiske energien til det kastede elektronet. Siden den første verdien er kjent og den andre kan måles, kan elementene som er til stede i en prøve bestemmes ut fra observerte ioniseringsenergier.

Relativt energiske fotoner er nødvendige for å utstøte elektroner, noe som betyr at stråling mot den høye energien, den korte bølgelengden av det elektromagnetiske spekteret er nødvendig. Dette har gitt opphav til to hovedmetoder: ultrafiolett fotoelektronspektroskopi (UPS) og røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS). Ultrafiolett stråling er bare i stand til å kaste ut de ytterste, valenselektronene fra molekyler, men røntgenstråler kan fjerne kjerneelektroner nær kjernen på grunn av deres høyere energi.

Røntgenfotoelektronspektroskopi utføres ved å bombardere en prøve med røntgenstråler på en enkelt frekvens og måle energiene til de elektroner som sendes ut. Prøven må plasseres i et ultrahøyt vakuumkammer for å forhindre at fotoner og utsendte elektroner blir absorbert av gasser og for å sikre at det ikke er adsorberte gasser på prøveoverflaten. Energien til de utsendte elektronene bestemmes ved å måle spredningen i et elektrisk felt - de med høyere energi vil bli avbøyd i mindre grad av feltet. Siden ioniseringsenergiene til kjerneelektroner blir skiftet til litt høyere verdier når det aktuelle elementet er i en oksidert tilstand, kan denne metoden ikke bare gi informasjon om elementene som er til stede, men også om deres oksidasjonstilstander. Røntgenfoto-elektroskopi kan ikke brukes til væsker på grunn av kravet til vakuumforhold og brukes normalt til overflateanalyse av faste prøver.

Ultraviolett fotoelektronspektroskopi fungerer på en lignende måte, men ved bruk av fotoner i spektrumets ultrafiolette rekkevidde. Disse blir ofte produsert av en gassutladningslampe som bruker en av edle gasser, så som helium, for å tilveiebringe fotoner med en enkelt bølgelengde. UPS ble først brukt til å bestemme ioniseringsenergier for gassformede molekyler, men brukes nå ofte for å undersøke den elektroniske strukturen til materialer.