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 - orsaka att en elektron kastas ut. Elektronen matas ut med en kinetisk energi som beror på dess ursprungliga energitillstånd och den inkommande fotonens energi. Fotonens våglängd bestämmer dess energi, med kortare våglängder med högre energi. 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 för de utkastade elektronerna.
När en negativt laddad elektron släpps ut från en atom bildas en positiv jon och den mängd energi som krävs för att mata ut en elektron kallas joniseringsenergi eller bindande energi. Elektroner är anordnade i orbitaler runt atomkärnan, och mer energi krävs för att lossa de nära kärnan än de i mer avlägsna orbitaler. En elektronens joniseringsenergi beror huvudsakligen på laddningen på kärnan - varje kemiskt element har ett annat antal protoner i kärnan och därför en annan laddning - och på elektronens omloppsbana. Varje element har sitt eget unika mönster av joniseringsenergier och i fotoelektronspektroskopi är joniseringsenergin för varje elektron som detekteras helt enkelt energin från den inkommande fotonen minus den utskjutna elektronens kinetiska energi. Eftersom det första värdet är känt och det andra kan mätas, kan elementen som finns i ett prov bestämmas utifrån de observerade joniseringsenergierna.
Relativt energiska fotoner behövs för att mata ut elektroner, vilket innebär att strålning mot den höga energin, korta våglängdsänden för det elektromagnetiska spektrumet krävs. Detta har gett upphov till två huvudmetoder: ultraviolett 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 på en enda frekvens och mäta energierna för de utsända elektronerna. Provet måste placeras i en ultrahög vakuumkammare för att förhindra att fotoner och utsända elektroner 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 energi kommer att avledas i mindre utsträckning av fältet. Eftersom joniseringsenergierna i kärnelektronerna flyttas till något högre värden när det berörda elementet är i ett oxiderat tillstånd, kan denna metod inte bara ge information om elementen som finns, utan också om deras oxidationstillstånd. Röntgenfotosektroskopi kan inte användas för vätskor på grund av kravet på vakuumförhållanden och används normalt för ytanalys av fasta prover.
Ultraviolett fotoelektronspektroskopi fungerar på liknande sätt, men med fotoner inom spektrumets ultraviolettavdelning. Dessa produceras vanligtvis av en gasurladdningslampa som använder 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.