Hva er Fotoelektronspek?

December 4  by Eliza

Fotoelektronspektroskopi er en metode for å analysere substanser ved hjelp av den fotoelektriske effekt. Når et foton samhandler med et atom eller molekyl, det kan - hvis det har nok energi - føre til et elektron for å bli kastet ut. Elektronet sprøytes ut med en kinetisk energi som er avhengig av dens opprinnelige energitilstand, og energien i det innkommende foton. Bølgelengden av fotonet bestemmer sin energi med kortere bølgelengder med høyere energier. Ved bestråling av en substans med fotoner av kjent bølgelengde, er det mulig å få informasjon om den kjemiske sammensetning og andre egenskaper, ved å måle de kinetiske energier av de slynges ut elektroner.

Når et negativt ladet elektron støtes ut fra et atom er et positivt ion som dannes og mengden av energi som kreves for å løse ut en elektron er kjent som ioniseringsenergien eller bindingsenergi. Elektroner er anordnet i orbitaler rundt atomkjernen, og mer energi er nødvendig for å løsne dem nær kjernen enn de mer fjernt orbitaler. Ioniseringsenergien av et elektron hovedsakelig avhenger ladningen på kjernen - hvert grunnstoff har et ulikt antall protoner i kjernen og derfor en annen kostnad - og på elektronets orbital. Hvert element har sin egen unike mønster av ionisering energier og i fotoelektronspektroskopi, er ioniseringsenergien for hvert elektron som blir detektert bare energien i det innkommende foton minus den kinetiske energien til den løses ut elektron. Siden den første verdien er kjent, og andre kan måles, kan de elementer som er tilstede i en prøve kan bestemmes fra de mønstre av ionisering energier observert.

Relativt energetiske fotoner er nødvendig for å mate ut elektroner, noe som betyr at strålingen mot høy energi, er kort bølgelengde enden av det elektromagnetiske spektrum som kreves. Dette har gitt opphav til to hovedmetoder: ultrafiolett fotoelektron spektroskopi (UPS) og x-ray fotoelektron spektroskopi (XPS). Ultrafiolett stråling er bare i stand til å løse ut den ytterste, valens elektroner fra molekyler, men x-stråler kan løse ut kjerne elektroner nær kjernen på grunn av sin høyere energi.

Røntgenfotoelektronspektroskopi blir utført ved å bombardere et prøven med røntgenstråler ved en enkelt frekvens og måling av energier av de elektroner som utsendes. Prøven må plasseres i en ultrahøy vakuumkammer for å hindre at utsendte fotoner og elektroner som blir absorbert av gasser og for å sikre at det ikke adsorberte gasser på prøvens overflate. Energien av de utsendte elektroner blir bestemt ved å måle deres spredning i et elektrisk felt, - de med høyere energier vil bli avledet til en mindre grad av feltet. Siden ionisering energier av kjerne elektroner blir flyttet til litt høyere verdier når vedkommende element er i en oksidert tilstand, kan denne metoden ikke bare gi informasjon om hvilke elementer til stede, men også om deres oksidasjon stater. Røntgen photospectroscopy kan ikke brukes for væsker på grunn av kravet til vakuumbetingelser, og blir vanligvis brukt for overflateanalyse av faste prøver.

Ultrafiolett fotoelektronspektroskopi fungerer på en lignende måte, men ved anvendelse av fotoner i det ultrafiolette området av spekteret. Disse er som oftest fremstilt av en gassutladningslampe ved hjelp av en av edelgasser, så som helium, for å tilveiebringe fotoner av en enkelt bølgelengde. UPS ble først brukt til å bestemme ionisering energier for gassmolekyler, men er nå ofte brukt for å undersøke elektroniske strukturen av materialer.