Что такое фотоэлектронная спектроскопия?

Фотоэлектронная спектроскопия - это метод анализа веществ с использованием фотоэлектрического эффекта. Когда фотон взаимодействует с атомом или молекулой, он может - если у него достаточно энергии - вызвать выброс электрона. Электрон испускается с кинетической энергией, которая зависит от его начального энергетического состояния и энергии входящего фотона. Длина волны фотона определяет его энергию с более короткими длинами волн, имеющих более высокие энергии. Облучая вещество фотонами с известной длиной волны, можно получить информацию о его химическом составе и других свойствах путем измерения кинетической энергии выброшенных электронов.

Когда отрицательно заряженный электрон выбрасывается из атома, образуется положительный ион, и количество энергии, необходимое для выброса электрона, называется энергией ионизации или энергией связи. Электроны располагаются на орбиталях вокруг атомного ядра, и для смещения тех, кто находится близко к ядру, требуется больше энергии, чем на более удаленных. Энергия ионизации электрона зависит главным образом от заряда на ядре - каждый химический элемент имеет различное число протонов в ядре и, следовательно, различный заряд - и от орбитали электрона. Каждый элемент имеет свою уникальную структуру энергий ионизации, и в фотоэлектронной спектроскопии энергия ионизации для каждого детектируемого электрона представляет собой просто энергию входящего фотона минус кинетическая энергия выброшенного электрона. Поскольку первое значение известно, а второе можно измерить, элементы, присутствующие в образце, можно определить по наблюдаемым закономерностям энергий ионизации.

Относительно энергичные фотоны необходимы для выброса электронов, а это означает, что требуется излучение в сторону высокоэнергетического коротковолнового конца электромагнитного спектра. Это привело к двум основным методам: ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии (ИБП) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). Ультрафиолетовое излучение способно выбрасывать только самые внешние валентные электроны из молекул, но рентгеновские лучи могут выбрасывать сердцевинные электроны вблизи ядра из-за их более высокой энергии.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия проводится путем бомбардировки образца рентгеновскими лучами на одной частоте и измерения энергии испускаемых электронов. Образец должен быть помещен в сверхвысоковакуумную камеру, чтобы предотвратить поглощение фотонов и испускаемых электронов газами и обеспечить отсутствие адсорбированных газов на поверхности образца. Энергия испускаемых электронов определяется путем измерения их рассеяния в электрическом поле - поля с более высокими энергиями будут в меньшей степени отклоняться полем. Поскольку энергии ионизации основных электронов сдвигаются к немного более высоким значениям, когда соответствующий элемент находится в окисленном состоянии, этот метод может предоставить не только информацию об имеющихся элементах, но и об их состояниях окисления. Рентгеновская фотоспектроскопия не может быть использована для жидкостей из-за требований в условиях вакуума и обычно используется для анализа поверхности твердых образцов.

Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия работает аналогичным образом, но с использованием фотонов в ультрафиолетовом диапазоне спектра. Они чаще всего производятся газоразрядной лампой с использованием одного из благородных газов, таких как гелий, для получения фотонов с одной длиной волны. ИБП впервые был использован для определения энергий ионизации газообразных молекул, но в настоящее время часто используется для исследования электронной структуры материалов.