O que é espectroscopia de fotoelétrons?
A espectroscopia de fotoelétrons é um método de análise de substâncias usando o efeito fotoelétrico. Quando um fóton interage com um átomo ou molécula, ele pode - se tiver energia suficiente - fazer com que um elétron seja ejetado. O elétron é ejetado com uma energia cinética que depende do seu estado inicial de energia e da energia do fóton recebido. O comprimento de onda do fóton determina sua energia, com comprimentos de onda mais curtos tendo energias mais altas. Ao irradiar uma substância com fótons de comprimento de onda conhecido, é possível obter informações sobre sua composição química e outras propriedades, medindo as energias cinéticas dos elétrons ejetados.
Quando um elétron carregado negativamente é ejetado de um átomo, um íon positivo é formado e a quantidade de energia necessária para ejetar um elétron é conhecida como energia de ionização ou energia de ligação. Os elétrons estão dispostos em orbitais ao redor do núcleo atômico, e é necessária mais energia para desalojar aqueles próximos ao núcleo do que aqueles em orbitais mais distantes. A energia de ionização de um elétron depende principalmente da carga no núcleo - cada elemento químico possui um número diferente de prótons no núcleo e, portanto, uma carga diferente - e no orbital do elétron. Cada elemento tem seu próprio padrão único de energias de ionização e, na espectroscopia de fotoelétrons, a energia de ionização para cada elétron detectado é simplesmente a energia do fóton recebido menos a energia cinética do elétron ejetado. Como o primeiro valor é conhecido e o segundo pode ser medido, os elementos presentes em uma amostra podem ser determinados a partir dos padrões de energia de ionização observados.
São necessários fótons relativamente energéticos para ejetar elétrons, o que significa que é necessária radiação em direção à extremidade de alta energia e comprimento de onda curto do espectro eletromagnético. Isso deu origem a dois métodos principais: espectroscopia de fotoelétron ultravioleta (UPS) e espectroscopia de fotoelétron de raio x (XPS). A radiação ultravioleta só é capaz de ejetar os elétrons de valência mais externos das moléculas, mas os raios-x podem ejetar elétrons do núcleo próximos ao núcleo devido à sua energia mais alta.
A espectroscopia de fotoelétrons de raios X é realizada bombardeando uma amostra com raios X em uma única frequência e medindo as energias dos elétrons emitidos. A amostra deve ser colocada em uma câmara de vácuo ultra-alta para evitar que os fótons e elétrons emitidos sejam absorvidos pelos gases e para garantir que não haja gases adsorvidos na superfície da amostra. A energia dos elétrons emitidos é determinada medindo sua dispersão dentro de um campo elétrico - aqueles com energias mais altas serão desviados em menor grau pelo campo. Como as energias de ionização dos elétrons do núcleo são deslocadas para valores ligeiramente mais altos quando o elemento em questão está em um estado oxidado, esse método pode não apenas fornecer informações sobre os elementos presentes, mas também sobre seus estados de oxidação. A fotoespectroscopia de raios X não pode ser usada para líquidos devido ao requisito para condições de vácuo e é normalmente usada para análise de superfície de amostras sólidas.
A espectroscopia de fotoelétron ultravioleta funciona de maneira semelhante, mas usando fótons na faixa ultravioleta do espectro. Estes são mais comumente produzidos por uma lâmpada de descarga de gás usando um dos gases nobres, como o hélio, para fornecer fótons com um único comprimento de onda. O UPS foi usado pela primeira vez para determinar as energias de ionização de moléculas gasosas, mas agora é frequentemente empregado para investigar a estrutura eletrônica dos materiais.