Co to jest spektroskopia fotoelektronowa?
Spektroskopia fotoelektronowa jest metodą analizy substancji z wykorzystaniem efektu fotoelektrycznego. Kiedy foton oddziałuje z atomem lub cząsteczką, może - jeśli ma wystarczającą energię - spowodować wyrzucenie elektronu. Elektron jest wyrzucany z energią kinetyczną, która zależy od jego początkowego stanu energetycznego i energii nadchodzącego fotonu. Długość fali fotonu determinuje jego energię, przy czym krótsze długości fali mają wyższe energie. Napromieniowując substancję fotonami o znanej długości fali, można uzyskać informacje o jej składzie chemicznym i innych właściwościach poprzez pomiar energii kinetycznej wyrzuconych elektronów.
Kiedy ujemnie naładowany elektron jest wyrzucany z atomu, powstaje jon dodatni, a ilość energii potrzebna do wyrzucenia elektronu jest znana jako energia jonizacji lub energia wiązania. Elektrony są rozmieszczone na orbitach wokół jądra atomowego i potrzeba więcej energii, aby przesunąć te znajdujące się blisko jądra, niż na odległych orbitach. Energia jonizacji elektronu zależy głównie od ładunku na jądrze - każdy pierwiastek chemiczny ma inną liczbę protonów w jądrze, a zatem inny ładunek - oraz na orbicie elektronu. Każdy element ma swój unikalny wzór energii jonizacji, aw spektroskopii fotoelektronowej energia jonizacji każdego wykrytego elektronu jest po prostu energią nadchodzącego fotonu minus energia kinetyczna wyrzuconego elektronu. Ponieważ pierwsza wartość jest znana, a drugą można zmierzyć, pierwiastki obecne w próbce można określić na podstawie obserwowanych wzorów energii jonizacji.
W celu wyrzucenia elektronów potrzebne są względnie energetyczne fotony, co oznacza, że wymagane jest promieniowanie w kierunku końca o wysokiej energii, krótkiej długości fali widma elektromagnetycznego. Dało to początek dwóm głównym metodom: ultrafioletowej spektroskopii fotoelektronowej (UPS) i rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronowej (XPS). Promieniowanie ultrafioletowe jest w stanie jedynie wyrzucać elektrony walencyjne z cząsteczek, ale promieniowanie rentgenowskie może wyrzucać elektrony rdzeniowe blisko jądra z uwagi na ich wyższą energię.
Rentgenowską spektroskopię fotoelektronową przeprowadza się poprzez bombardowanie próbki promieniami rentgenowskimi o pojedynczej częstotliwości i pomiar energii emitowanych elektronów. Próbkę należy umieścić w komorze o ultrawysokiej próżni, aby zapobiec absorpcji fotonów i emitowanych elektronów przez gazy oraz zapewnić, że nie ma zaadsorbowanych gazów na powierzchni próbki. Energia emitowanych elektronów jest określana przez pomiar ich rozproszenia w polu elektrycznym - te o wyższych energiach będą odchylane w mniejszym stopniu przez pole. Ponieważ energie jonizacji elektronów rdzeniowych są przesunięte do nieco wyższych wartości, gdy dany pierwiastek jest w stanie utlenionym, metoda ta może nie tylko dostarczyć informacji o obecnych pierwiastkach, ale także o ich stanach utlenienia. Fotopektroskopia rentgenowska nie może być stosowana do cieczy z powodu wymagań warunków próżniowych i jest zwykle stosowana do analizy powierzchni próbek stałych.
Spektroskopia fotoelektronowa w ultrafiolecie działa w podobny sposób, ale z wykorzystaniem fotonów w zakresie ultrafioletowym widma. Są one najczęściej wytwarzane przez lampę wyładowczą wykorzystującą jeden z gazów szlachetnych, takich jak hel, w celu zapewnienia fotonów o pojedynczej długości fali. UPS po raz pierwszy użyto do określenia energii jonizacji dla cząsteczek gazowych, ale obecnie często stosuje się go do badania struktury elektronicznej materiałów.