Hva er fotoelektronspektroskopi?

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

Når et negativt ladet elektron kastes ut fra et atom, dannes et positivt ion og mengden energi som kreves for å kaste ut et elektron, er kjent som ioniseringsenergien eller bindende energi. Elektroner er ordnet i orbitaler rundtAtomkjernen, og mer energi er nødvendig for å fjerne de nær kjernen enn de i fjernere orbitaler. Ioniseringsenergien til et elektron avhenger hovedsakelig av ladningen på kjernen - hvert kjemiske element har et annet antall protoner i kjernen og derfor en annen ladning - og på 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 utkastede elektronet. Siden den første verdien er kjent og den andre kan måles, kan elementene som er til stede i en prøve bestemmes ut fra mønstrene for ioniseringsenergier observert.

Relativt energiske fotoner er nødvendig for å kaste ut elektroner, noe som betyr at stråling mot den høye energien, kort bølgelengdeenden av det elektromagnetiske spekteret er nødvendig. Dette har gitt opphav til to hovedmetoDS: Ultraviolet fotoelektronspektroskopi (UPS) og røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS). Ultraviolett stråling er bare i stand til å kaste ut de ytterste, valenselektroner fra molekyler, men røntgenstråler kan kaste ut kjerneelektroner nær kjernen på grunn av deres høyere energi.

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

Ultraviolet fotoelektronspektroskopi fungerer på en lignende måte, men ved å bruke fotoner i det ultrafiolette området til spekteret. Disse er mest produsert av en gassutladningslampe som bruker en av edelgassene, for eksempel helium, for å tilveiebringe fotoner med en enkelt bølgelengde. UPS ble først brukt til å bestemme ioniseringsenergier for gassformige molekyler, men brukes nå ofte for å undersøke den elektroniske strukturen til materialer.