Vad är fotoelektronspektroskopi?

fotoelektronspektroskopi är en metod för att analysera ämnen med hjälp av den fotoelektriska effekten. När en foton interagerar med en atom eller molekyl kan den - om den har tillräckligt med energi - få en elektron att kastas ut. Elektronen kastas ut med en kinetisk energi som beror på dess initiala energitillstånd och energin från den inkommande fotonen. Våglängden för foton bestämmer dess energi, med kortare våglängder med högre energier. Genom att bestråla ett ämne med fotoner med en känd våglängd är det möjligt att få information om dess kemiska sammansättning och andra egenskaper genom att mäta de kinetiska energierna hos de utkastade elektronerna.

När en negativt laddad elektron matas ut från en atom, bildas en positiv jon och mängden energi som krävs för att mata ut en elektron kallas joniseringsenergi eller bindande energi. Elektroner är ordnade i orbitaler runtatomkärnan och mer energi krävs för att lossna de nära kärnan än de i mer avlägsna orbitaler. Joniseringsenergin hos en elektron beror huvudsakligen på laddningen på kärnan - varje kemiskt element har ett annat antal protoner i kärnan och därför en annan laddning - och på elektronens orbital. Varje element har sitt eget unika mönster av joniseringsenergier och i fotoelektronspektroskopi är joniseringsenergin för varje elektron som detekteras helt enkelt energin i den inkommande fotonen minus den kinetiska energin hos den utkastade elektronen. Eftersom det första värdet är känt och det andra kan mätas kan elementen som finns i ett prov bestämmas utifrån mönstren för joniseringsenergier som observerats.

Relativt energiska fotoner behövs för att mata ut elektroner, vilket innebär att strålning mot den höga energin, korta våglängdsänden av det elektromagnetiska spektrumet krävs. Detta har gett upphov till två huvudmetoDS: Ultraviolet fotoelektronspektroskopi (UPS) och röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS). Ultraviolett strålning kan bara mata ut de yttersta, valenselektronerna från molekyler, men röntgenstrålar kan mata ut kärnelektroner nära kärnan på grund av deras högre energi.

röntgenfotoelektronspektroskopi utförs genom att bombardera ett prov med röntgenstrålar vid en enda frekvens och mäta energierna från de elektronerna som släpps ut. Provet måste placeras i en ultrahög vakuumkammare för att förhindra fotoner och emitterade elektroner som absorberas av gaser och för att säkerställa att det inte finns några adsorberade gaser på provytan. Energin från de utsända elektronerna bestäms genom att mäta deras spridning inom ett elektriskt fält - de med högre energier kommer att avledas i mindre utsträckning av fältet. Eftersom joniseringsenergierna hos kärnelektroner skiftas till något högre värden när det berörda elementet är i oxiderat tillstånd, kan denna metod inte bara ge informationrmation om de närvarande elementen, men också om deras oxidationstillstånd. Röntgenfotospektroskopi kan inte användas för vätskor på grund av kravet på vakuumförhållanden och används normalt för ytanalys av fasta prover.

Ultraviolet fotoelektronspektroskopi fungerar på liknande sätt, men använder fotoner i det ultravioletta området för spektrumet. Dessa produceras oftast av en gasutsläppslampa med en av de ädla gaserna, såsom helium, för att tillhandahålla fotoner med en enda våglängd. UPS användes först för att bestämma joniseringsenergier för gasformiga molekyler, men används nu ofta för att undersöka den elektroniska strukturen hos material.