Въведение във фотоелектронна спектроскопия

В това видео ще се запознаем с метода фотоелектронна спектроскопия. Това е метод за анализ на електронната конфигурация на проба от определен вид атом. Това, което често ще срещаш, а понякога и на изпит, е фотоелектронен спектър, който изглежда ето така. И първият въпрос е какво представлява това. Как се генерира този спектър? Няма да навлизам в подробности, но в общи линии анализът се прави чрез пропускане на поток от даден елемент – имаме поток от атоми на някакъв елемент, който се движи в една посока, а в другата посока – ще надпиша това – това са атомите, които опитваме да анализираме, а в другата посока се движат високоенергийни фотони, които ще бомбардират тези атоми. Тези фотони са с достатъчно висока енергия, обикновено това са рентгенови фотони, така че когато се сблъскат, фотоните са с достатъчно висока енергия, че да преодолеят енергията на свързване дори на вътрешните електрони. Тези електрони биват избити, те се отделят и навлизат в магнитно поле, което отклонява тези електрони и ги изпраща към детектор. Вероятно се досещаш, че електроните, които са по-близо до ядрото, имат най-висока енергия на свързване и тогава по-голямата част от енергията от фотона ще бъде изразходвана за избиването на електрона, и толкова по-малка част от тази енергия ще остане като кинетична енергия, така че тези по-близки електрони няма да стигнат толкова надалеч. Външните електрони имат най-ниска енергия на свързване. Те са най-лесни за избиване и ще получат повече от енергията на фотона, която ще бъде преобразувана в кинетична енергия. Те ще се отдалечат повече и ще стигнат до детектора в по-далечна точка. Един начин да разглеждаме един фотоелектронен спектър е, че той дава представа приблизително колко електрони имат различни енергии на свързване. Можеш да видиш, че енергията на свързване се увеличава, когато отиваме наляво. Причината това да е логично, е, че свързващата енергия е обратнопропорционална на количеството кинетична енергия, която имат тези електрони, когато биват избити. Този връх в спектъра в крайно ляво съответства на най-вътрешните електрони, а после тези ще са по-отдалечените електрони със следващата по-ниска енергия на свързване, и след това с още по-ниска енергия на свързване. Можем да анализираме това, за да определим електронната конфигурация на този мистериозен елемент тук. Кой елемент мислиш че е това? Спри видеото и опитай да помислиш върху това. Както споменах, този връх тук ще съответства на засичане на най-вътрешните електрони а най-вътрешните електрони са 1s електроните. Знаем, че това не са единствените електрони, понеже има електрони, които имат по-ниски енергии на свързване и знаем, че те са запълнили този най-вътрешен слой. Знаем, че ще има два 1s електрона. После можем да заключим, че този следващ пик ще са 2s електрони. Но ние имаме повече електрони от това, така че 2s подслоят трябва да е запълнен. Следващият пик изглежда като 2р. Това изглежда логично, защото – обърни внимание, че детекторът засича повече електрони, а в 2р подслоя наистина има повече електрони, така че това трябва да е било запълнено и това е логично и начинът това да бъде построено... не винаги ще е така перфектно, но можеш да видиш, че имаш приблизително три пъти повече 2р електрони отколкото 2s електрони, което е логично. 2р подслоят може да побере шест електрона. 2s подслоят може да побере два. Този следващ пик е на послоя със следващата най-висока енергия, който ще има по-ниска енергия на свързване. По-лесно е да избиеш тези електрони. Изглежда, че това са 3s2 електрони. И после този следващ пик изглежда като 3р6. Така този слой е изцяло запълнен, след което имаме още един пик, който изглежда има приблизително същия брой електрони като другите s подслоеве. От принципа на Ауфбау знаем, че след това ще се запълни 4s подслоя, като изглежда, че тук има два електрона, понеже този пик е приблизително равен на другите запълнени s подслоеве. Ето така успяхме да използваме този фотоелектронен спектър, за да определим електронната конфигурация на този мистериозен елемент. Неговата електронна конфигурация е 1s2 2s2 2р6 3s2 3р6, 4s2. Кой елемент има такава конфигурация? В други видеоуроци разглеждахме това, но мога да взема периодичната таблица на елементите и да видим... 1s2 е характерно за хелий, после имаш 2s2 и 2p6, което означава неон. 3s2 и 3р6 ни води до аргон, а после 4s2 ни води до калций. Мистериозният ни елемент е калций. Ако някой попита за валентните електрони, на тях съответства най-външният пик ето тук. Пикът на електроните с най-ниска енергия на свързване. Те имат най-ниска енергия на свързване, понеже са най-надалеч от ядрото. Те са най-лесни за избиване, а понеже са най-лесни за избиване, повечето от тази енергия на фотоните остава след преодоляване на свързващата енергия и се преобразува в кинетична енергия. Тези електрони достигат най-далеч от ядрото. Това, което виждаме тук, е фотоелектронният спектър на елемента калций. Какъв бихме очаквали да бъде фотоелектронният спектър на калия? Само да си припомним, че калият има атомен номер 19, следователно той има 19 протона в ядрото си, докато калцият има 20 протона в ядрото си. Да приемем, че разглеждаме неутрален калиев атом, така че той ще има и 19 електрона. Спри това видео и помисли по какво може да се различава спектърът на калия. Когато мислим за елемента калий, той ще има много подобен фотоелектронен спектър на този на калция, но понеже има само 19, а не 20 протона, той има по-слаб положителен заряд в ядрото, така че привлича малко по-слабо различните слоеве. Така че при калия пак ще имаш 1s2, но сега енергията на свързване е малко по-ниска, понеже електроните не са толкова силно привлечени от ядрото. Не го чертая перфектно. Може да не е толкова. Знаеш ли какво... Вероятно е по-малко. Нещо такова. Но ще е малко по-вдясно. По същия начин, 2s2 ще е малко повече надясно, а после 2р6 ще е отново малко по-надясно. Повтарям, че не го чертая перфектно, понеже нямам точните данни. 3s2 ще е малко надясно. Отново, калията има само 19 протона за разлика от 20 при калция, така че притеглянето към ядрото е малко по-слабо, имаме по-ниска енергия на свързване за всеки даден слой или подслой и 3р6 ще е малко надясно, ето така. Как ще изглежда 4s подслоят? Сега в 4s подслоя електроните не са два. Има само един, понеже има само 19 електрона, а не 20. Така че това ще е малко по-вдясно. Има по-ниска енергия на свързване и върхът ще е само наполовина толкова висок, понеже имаш само един електрон, а не два. Ще изглежда ето така. Това е фотоелектронният спектър на калия, грубо казано. Сега, вече говорихме, че най-въшният слой ти показва къде са валентните електрони. Ако разглеждаме калия, това ще е ето тук. Това също ни казва, когато говорим за свързваща енергия тук, тази свързваща енергия ни казва колко енергия ни трябва, за да премахнем един електрон. И когато премахваш този първи електрон, това е първа йонизационна енергия. След като премахнеш този първи електрон, поради всички взаимодействия между електроните фотоелектронният спектър би се променил, така че не можеш да мислиш за втората или за третата йонизационна енергия, но за първата йонизационна енергия просто трябва да мислиш като енергията на свързване на най-външните електрони.