Электронная спектроскопия

Аналитическая электронная спектроскопия основана на измерении величины характеристической электронной эмиссии (испусканию) атомов поверхности анализируемого образца, возбужденной монохроматическим рентгеновским излучением (фотоэффект) или первичным электронным пучком (Оже-эффект).

К методам электронной спектроскопии относят рентгеновскую фотоэлектронную (РФЭС) и оже- электронную (ОЭС) спектроскопию.

Применение:метод РФЭС позволяет проводить неразрушающий качественный и количественный элементный и фазовый анализ поверхности твердого тела. Определять можно любые элементы от Li до U, анализировать поверхности самых разных неорганических и органических материалов: металлов, сплавов, керамики, полимеров и т.д.

Электронный спектр. Воздействие пучка рентгеновского излучения (РФЭС) или электронов (ОЭС) приводит к эмиссии (испусканию) электронов с поверхности образца. Эл. Спектр представляет собой распределение эмитируемых электронов по кинетическим энергиям.

Номенклатура электронных линий. Для обозначения фотоэлектронных линий используют набор символов, характеризующих энергетическое состояние соответствующего электрона в атоме, например

Au4f_7/2

Au- символ элемента, 4-главное квантовое число уровня, с которого произошла эмиссия фотоэлектрона, f-буквенный индекс орбитального квантового числа, 7/2-мультиплетность. (Мультиплетность определяет число подуровней, на которое может расщепляться уровень энергии вследствие спин орбитального взаимодействия, число возможных ориентаций в пространстве полного спина атома или молекулы. Согласно квантовой механике, М. c = 2S + 1, где S...)

Для обозначения оже-электронных линий используют символы, последовательно описывающие механизм оже-процесса(электронные переходы, предшествующие эмиссии оже-электрона), например

NaKL₁L₂₃

K,L –главное квантовое число соответствующих электронных уровней атома (n=1 K-уровень, n=2 L-уровень),1,2,3- номера электронных подуровней.

Аппаратура.Основные узлы электронного спектрометра: источник возбуждения, устройство крепления и ввода образца, энергоанализатор, детектор электронов – помещены в вакуумную камеру. В качестве источника возбуждения - рентгеновская трубка (РФЭС) или электронная пушка с перестраиваемой в широком диапазоне энергией электронов (ОЭС). Энергоанализатор-устройство, позволяющее последовательно направлять на детектор электроны с разными кинетическими энергиями. В основе работы энергоанализатора лежит зависимость кривизны траектории движения электрона в электромагнитном поле от его кнетической энергии. Для РФЭС обычно используют электростатический полусферический энергонализатор. В качестве детектора в электронной спектроскопии используют электронный умножитель-пропорциональный счетчик электронов, усиливающий сигнал до 10^6-7 раз.

Качественный анализ(для РФЭС)

Основой качественного рентгеноэлектронного анализа явл. закон фотоэффекта Эйнштейна (сохранения энергии):

E_кин = hν – E_св + φ

Е_кин - кинетич.энергия фотоэлектрона, hν-энергия кванта рентгеновского излучения, Е_св – энергия связи электрона в атоме, φ – работа выхода электрона материала спектрометра (в эксперименте сводится к нулю). Аналитическая сущность этого закона проста. Известно, что значения энергий электронов в атоме индивидуальна для каждого элемента. Поэтому, если для возбуждения фотоэмиссии использовать монохроматическое рентгеновское излучение, то кинетические энергии фотоэлектронов окажутся характеристичными.

Количественный анализ.Интенсивность фотоэлектронной линии элемента (I) пропорциональна потоку возб. рентг. изл. (F), сечению фотоионизации соответствующего электронного уровня атома (σ) и атомной плотности определяемого элемента. Для выполнения анализа используют приблизительную формулу этой зависимости:

Где Е - кинетическая энергия фотоэлектрона, i – определяемый элемент, m – общее число элементов, n – среднее число атомов определяемого элемента, приходящееся на единицу площади поверхности образца.

Для близких по энергиям фотоэлектронных линий используют формулу: