طیف سنجی فوتوالکترون (PES): اصول، کاربرد، محدودیت

فهرست مطالب نمایش

مقدمه‌ای بر طیف سنجی فوتوالکترون

طیف سنجی فوتوالکترون (PES) یک روش تجربی برای تعیین انرژی‌های الکترون اتمی و مولکولی است. فوتون، جزء اساسی نور، ممکن است در تکنیکی به نام طیف سنجی فوتوالکترون برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد ویژگی‌های مواد مختلف استفاده شود.

از آنجایی که داده‌هایی که ارائه می‌کند به مقدار انرژی آزاد شده توسط الکترون برهمکنش گره خورده است، طیف سنجی فوتوالکترون به نام «طیف سنجی فتوایمیشن» نیز شناخته می‌شود. PES به طور گسترده در جامعه علمی برای بررسی ترکیب عنصری و تعیین خصوصیات پیوند در مولکول‌ها استفاده می‌شود.

طیف سنجی فوتوالکترون (PES) چیست؟

طیف سنجی فوتوالکترون یک تکنیک حیاتی برای بررسی ساختار سطح انرژی اتم‌ها و مولکول‌ها است. PES برای تعیین انرژی اتصال الکترون‌ها در ترکیبات استفاده می‌شود. در طیف سنجی فوتوالکترون، انرژی جنبشی فوتوالکترون‌های آزاد شده پس از یک رویداد یونیزاسیون اندازه‌گیری می‌شود.

طیف سنجی فوتوالکترون در درجه اول از یک فوتون برای برهمکنش با یک الکترون استفاده می‌کند. در حالی که سایر بخش‌های طیف الکترومغناطیسی نیز می‌توانند برای طیف سنجی استفاده شوند. فوتون‌های طول موج فرابنفش و اشعه ایکس محبوب‌ترین فوتون‌ها برای استفاده در طیف سنجی فوتوالکترون هستند.

اثر فوتوالکتریک، یک پدیده فیزیکی که در ابتدا توسط آلبرت اینشتین در سال 1905 توصیف شد، پایه و اساس طیف سنجی فوتوالکترون است. اثر فوتوالکتریک بیان می‌کند که وقتی الکترون‌های یک فلز در معرض تابش کافی از نور قرار می‌گیرند، الکترون‌ها از سطح فلز خارج می‌شوند. انرژی الکترون‌های فلز جامد را می‌توان از انرژی جنبشی الکترون‌های بیرون رانده (فتوالکترون) و انرژی تابش ورودی محاسبه کرد.

انواع طیف سنجی فوتوالکترون

هنگامی که این روش در گذشته برای بررسی‌های سطحی استفاده می‌شد، اغلب بسته به منشاء تشعشعات مهیج بکار رفته، به دسته‌های زیادی تقسیم می‌شد.

طیف سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) روشی برای تجزیه و تحلیل ساختارهای اتمی است که از اشعه ایکس “نرم” (انرژی فوتون 200-2000 eV) استفاده می‌کند. در XPS، یک اتم در یک مولکول یا جامد، فوتون را جذب می‌کند و باعث یونیزه شدن آن می‌شود و الکترون را از هسته‌اش (پوسته داخلی) آزاد می‌کند.
طیف سنجی فوتوالکترون فرابنفش (UPS): بررسی سطوح ظرفیت با استفاده از نور UV خلاء (با انرژی فوتون 10-45 eV). UPS شامل حذف یک الکترون ظرفیتی توسط برهمکنش فوتون با سطوح ظرفیتی مولکول یا جامد است.

اصل طیف سنجی فوتوالکترون

انتشار نوری فرآیندی است که در آن ماده با آزاد کردن الکترون به حضور تابش الکترومغناطیسی واکنش نشان می‌دهد. انرژی موج الکترومغناطیسی به انرژی الکترون‌ها منتقل می‌شود، چه آزاد شوند یا نشوند. فوتوالکترون‌ها الکترون‌هایی هستند که انرژی آن‌ها به مواد و برهمکنش‌های درون آن‌ها وابسته است. همچنین آن‌ها را به یک کاوشگر مفید در راستای ویژگی‌ها و واکنش‌های مواد فرایند تبدیل می‌کند. در طیف سنجی انتشار نوری، انرژی فوتوالکترون‌های یک مولکول تعیین می‌شود (PES).

برای بررسی ویژگی‌های مواد مختلف (گازها، جامدات و مایعات)، دانشمندان می‌توانند از طیف سنجی فوتوالکترون استفاده کنند که شامل اندازه‌گیری انرژی‌های مداری الکترون است. با این اطلاعات، دانشمندان می‌توانند در مورد ترکیب و پیوند اتمی یک ماده استنتاج کنند. طیف سنجی انتشار نوری روشی بسیار دقیق برای اندازه گیری انرژی الکترون است. در مقایسه با فرآیند Auger، مکانیسم اصلی طیف سنجی فوتوالکترون – چرخه یک فوتون در/الکترون خارج – بسیار ساده است.

برای تمام تابش‌های الکترومغناطیسی، انرژی یک فوتون را می‌توان با استفاده از رابطه انیشتین محاسبه کرد:

E=hν

که:

ℎ ثابت پلانک است ( 6.62 x 10^-34 J s )
Ν فرکانس (Hz) تابش است.

نمودار شماتیک طیف سنجی فوتوالکترون منبع تصویر: Thai synchrotron Lab]

هر تحلیلگر انرژی الکترونی ممکن است برای اندازه‌گیری توزیع انرژی جنبشی فوتوالکترون (یعنی مقدار فوتوالکترون‌های ساطع شده به عنوان تابعی از انرژی جنبشی آن‌ها) و در نتیجه ثبت یک طیف فوتوالکترون استفاده شود.

چندین دیدگاه برای بررسی فوتیونیزاسیون وجود دارد که یکی از آن‌ها به شرح زیر است:

A + hν → A⁺ + e⁻

بنابراین، طبق قانون بقای انرژی:

E(A)+ hv = E(A⁺) + E(e⁻)

این ممکن است برای ارائه فرمول زیر برای انرژی جنبشی فوتوالکترون (K.E.) بازآرایی شود، زیرا انرژی الکترون فقط به صورت K.E وجود دارد.

K.E = hv− (E(A⁺) − E(A))

معادله زیر اغلب برای توصیف رابطه بین انرژی اتصال (BE) یک الکترون و اختلاف انرژی بین یک اتم یونیزه و خنثی استفاده می‌شود.

طیف سنجی فوتوالکترون چگونه کار می‌کند؟

هنگامی که طول موج خاصی از نور بر روی یک نمونه متمرکز می‌شود، تنها تعداد خاصی از الکترون‌ها منتشر می‌شود. مقدار انرژی ساطع شده متناسب با انرژی یا سطوح اتمی است.

از طیف فوتوالکترون یک عنصر می‌توان برای موارد زیر استفاده کرد:

سطوح مختلف مداری اتمی را شناسایی کنید.
آرایش الکترونی یک اتم را کشف کنید.
یک طیف فوتوالکترون دارای قله‌های زیادی است که هر کدام مربوط به یک سطح مداری مشخص است که ممکن است الکترون‌ها در آن کشف شوند.

راه اندازی آزمایشی طیف سنجی فوتوالکترون

دستگاه طیف سنجی فوتوالکترون — طیف سنج فوتوالکترون

نمونه

یک پرتو از ذرات گاز یا یک سطح صاف می‌تواند به عنوان نمونه عمل کند. در این وضعیت، ذرات در پرتو حرکت می‌کنند که با زاویه مستقیم از نور عبور می‌کند.

منبع نور

یک منبع اشعه ماوراء بنفش یا اشعه ایکس به عنوان نور در آزمایش PES استفاده می‌شود. اگرچه لامپ‌های هلیوم ممکن است نور ماوراء بنفش (UV) تولید کنند، اما شدت کم آن‌ها باعث می‌شود برای اکثر مطالعات فعلی نامناسب باشند. در عوض، محققان از لیزر یا سنکروترون به ترتیب برای تولید نور UV، VUV و اشعه ایکس استفاده می‌کنند.

یک محفظه خلاء با پنجره‌ای که نور از آن می‌تابد. به منظور جلوگیری از آلودگی مولکول‌ها و اتم‌های موجود در هوا، آزمایش اغلب در یک محفظه خلاء با فشار بالا انجام می‌شود.

آنالیزور

انرژی جنبشی هر الکترونی که در نتیجه انرژی اشعه ماوراء بنفش یا اشعه ایکس از یک اتم خارج می‌شود، قابل اندازه گیری است. مسیر انحنای طی شده توسط فوتوالکترون هنگام عبور از آنالیزور انرژی با خط چین سیاه/سبز نشان داده می‌شود. الکترون‌های آزاد با بارهای منفی با تنظیم میدان‌های الکتریکی در آنالایزر به داخل آشکارساز هدایت می‌شوند. سرعت الکترون خارج شده را می‌توان با اسکن میدان‌های الکتریکی محاسبه کرد. می‌توان قدرت سیگنال PES را با تعداد الکترون‌های آزاد شده از یک نمونه مرتبط کرد زیرا الکترون‌های آزاد ذرات گسسته هستند.

آشکارساز

هنگامی که یک الکترون به آشکارساز برخورد می‌کند، یک سیگنال الکتریکی به تقویت کننده ارسال و ضبط می‌شود. سیگنال از آشکارساز تقویت شده و به دستگاه ضبط منتقل می‌شود، جایی که برای حذف نویزهای ناخواسته فیلتر شده است.

سطوح انرژی الکترونیکی اتم‌ها و مولکول‌ها را می‌توان با تولید و اندازه‌گیری فوتوالکترون‌هایی با انرژی‌های متفاوت با دستکاری آنالایزر و منبع نور تعیین کرد.

تجزیه و تحلیل طیف در طیف سنجی فوتوالکترون

آزمایش‌ها روی PES داده‌ها را به شکل نمودار تعداد فوتوالکترون در مقابل انرژی اتصال جمع‌آوری می‌کنند، که دومی اغلب بر حسب الکترون ولت (eV) یا مگاژول (MJ) در هر مول گزارش می‌شود.

هنگام ترسیم داده‌های PES برای عناصر، کاهش انرژی اتصال به سمت راست در امتداد محور افقی، با مبدأ نماد هسته اتم، معمول است تا به درک ما از داده‌ها کمک کند.

انرژی‌های اتصال قله‌ها در یک طیف PES متفاوت است. هر یک از این پیک‌ها نشان دهنده یک لایه فرعی متمایز از پیکربندی الکترون یک اتم است، زیرا همه الکترون‌های آن لایه فرعی انرژی اتصال یکسانی دارند.

شدت پیک مقدار نسبی الکترون‌ها را در یک لایه فرعی نشان می‌دهد، در حالی که انرژی پیوند پیک نشان‌دهنده انرژی لازم برای حذف یک الکترون از لایه فرعی است.

هیدروژن فقط یک الکترون دارد. از این رو طیف فوتوالکترون آن باید فقط یک پیک داشته باشد. محور y انرژی را نشان می‌دهد و مقدار آن 1.312 MJ mol^-1 است. معادل اولین انرژی یونیزه شدن هیدروژن (1312 KJ mol^-1) است.

ممکن است دو قله در طیف PES دیده شود که به دو الکترون زیرلایه لیتیوم (1s و 2s) نسبت داده می‌شود.

قله‌ای که به منبع نزدیک‌تر است دو برابر قله‌ای که دورتر است قوی‌تر است.

نزدیکترین قله به مبدأ باید زیرلایه 1s لیتیوم باشد که دلیل آن اختلاف در تعداد الکترون‌ها بین لایه‌های فرعی 1s و 2s است.

این در راستای انرژی‌های اتصال است، زیرا انتظار داریم الکترون‌های زیرلایه 1s به هسته نزدیک‌تر و کمتر از الکترون‌های زیرلایه 2s محافظت شوند. بنابراین، تلاش بیشتری برای حذف الکترون‌های 1s مورد نیاز است. این با این واقعیت تأیید می‌شود که انرژی اتصال پیک 1s در طیف PES بالاتر است.

شایان ذکر است که انرژی یونیزاسیون اولیه لیتیوم، یا مقدار انرژی مورد نیاز برای حذف خارجی‌ترین یا کمترین اتصال الکترون اتم لیتیوم، با انرژی اتصال پیک لیتیوم 2s یکسان است.

با این وجود، انرژی یونیزاسیون دوم لیتیوم با انرژی اتصال پیک 1s برابر نیست. اگر اولین الکترون از لیتیوم جدا شود، نگه داشتن هسته بر روی الکترون‌های 1s به طور قابل توجهی قوی‌تر می‌شود و انرژی اتصال آن‌ها را افزایش می‌دهد.

طیف سنجی فوتوالکترون و اهمیت آن

طیف سنجی فوتوالکترون یک تکنیک قدرتمند است. زیرا انرژی مدارهای الکترون را اندازه‌گیری می‌کند تا بینشی نسبت به ویژگی‌های فیزیکی ماده (گازها، جامدات و مایعات) بدست آورد.
برای استنباط اطلاعات در مورد ترکیب یک ماده و ماهیت پیوندهای بین اتم‌های آن. یک روش بسیار دقیق برای تعیین انرژی الکترون، طیف سنجی انتشار نوری است.
الکترون‌های هسته کانون اصلی طیف سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس هستند. می‌تواند هم اجزای مجزا که یک ماده را تشکیل داده و هم وجود یا عدم وجود اتصالات بین آن‌ها را نشان دهد.
چگالی الکترونی حالت‌ها برای مواد آلی و غیرآلی ممکن است با طیف سنجی فوتوالکترون فرابنفش اندازه‌گیری می‌شود، که در حال حاضر در حالت جامد و فیزیک ماده متراکم استفاده می‌گردد.
در زمینه فیزیک ماده متراکم، انرژی الکترونی مواد کریستالی با استفاده از طیف سنجی انتشار نوری با تفکیک زاویه اندازه‌گیری می‌شود.
در نهایت، رسانایی مواد ممکن است توسط دانشمندان با استفاده از طیف سنجی فوتوالکترون فرابنفش اندازه‌گیری شود.
یکی از کاربردهای رایج طیف سنجی فوتوالکترون، شناسایی عنصر است. یک طیف سنجی فوتوالکترون برای تابش مواد و سپس تجزیه و تحلیل طیف حاصل استفاده می‌شود. چندین قله در این طیف وجود خواهد داشت که هر کدام در سطح انرژی متفاوتی قرار دارند. تعداد اوربیتال‌های اتمی عنصر ناشناخته را می‌توان از تعداد اوج آن استنباط کرد. یک فیزیکدان می‌تواند تعداد کل اوربیتال‌های اتمی را با شمارش قله‌ها تعیین کند. دانشمندان ممکن است تعداد اوربیتال‌ها و دنباله‌ای را که الکترون‌ها آن اوربیتال‌ها را اشغال می‌کنند، با استفاده از دانش به دست آمده از شیمی ابتدایی محاسبه کند.
در زمینه پزشکی، طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس را می‌توان برای اطمینان از اینکه پانسمان زخم دارای مقدار کافی نقره ضد باکتری است، استفاده کرد.
در زمینه ذخیره انرژی، می‌توان از آن برای بررسی زوال سلول‌های خورشیدی (انتقال فاز ماده و هسته کریستالی) استفاده کرد.
بسیاری از مولکول‌ها در فاز گاز ممکن است با استفاده از طیف سنجی فوتوالکترون فرابنفش مشخص شوند، تکنیکی که مدت‌هاست مورد استفاده قرار گرفته است.

محدودیت طیف سنجی فوتوالکترون

یک فوتون پرانرژی باید با نیروی کافی به الکترون برخورد کند تا آن را از مدار اتمی خود خارج کند و به حالتی برسد که بتوان انرژی تابشی آن را اندازه گیری کرد. برای حذف یک الکترون هسته، فوتون‌های پرتو ایکس باید انرژی بسیار بالاتری نسبت به فوتون‌های فرابنفش داشته باشند، که ممکن است یک الکترون ظرفیتی (الکترونی خارج از اتم پیوند خورده) را حذف کند. در نتیجه، چالش اصلی طیف سنجی انتشار نوری، تأمین انرژی لازم برای بیرون راندن گونه‌های خاص الکترون است که با داده‌های مورد نظر مرتبط است.

از آنجایی که این تکنیک متکی بر فوتوالکترون جابجا شده است که از ماده به آشکارساز راه می‌یابد، طیف سنجی فوتوالکترون فقط می‌تواند اطلاعاتی در مورد سطوح مواد ارائه دهد. با افزایش فاصله‌ای که الکترون باید طی کند، این احتمال کاهش می‌یابد.

طیف‌سنج‌های فوتوالکترونی برای عملکرد، نیاز به تولید تنها یک نوع انرژی (فتون‌های فرابنفش یا اشعه ایکس) دارند. طیف سنج‌ها به محیط خلاء نیز نیاز دارند.

همچنین بخوانید: