If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Agar veb-filtrlardan foydalanayotgan boʻlsangiz *.kastatic.org va *.kasandbox.org domenlariga ruxsat berilganligini tekshirib koʻring.

Asosiy kontent

Fotoelektron spektroskopiya

Asosiy tushunchalar

  • Fotoelektron spektroskopiyasi (FES) bu – atomlar va molekulalardagi elektronlarning nisbiy energiyasini aniqlash uchun ishlatiladigan eksperimental usul.
  • Fotoelektron spektrometrlar namunalarni yuqori energiyali nurlanish (UB yoki rentgen nurlari) bilan ionlashtirishtiradi va chiqarilgan elektronlarning kinetik energiyasini (KE) aniqlaydi.
  • Qoʻzgʻatuchi nurlanish energiyasi (hν) va fotoelektrlarning KE ni hisobga olgan holda har bir chiqarilgan elektronning bogʻlanish energiyasi (BE) ni quyidagi tenglama yordamida hisoblashimiz mumkin: BE=hνKEelektron
  • FES spektri elektron soni va elektron bogʻlanish energiyasining bogʻliqlik grafigidir.
  • FES spektridagi choʻqqilar atomning turli energetik pogʻonachalaridagi elektronlarga mos keladi. Eng past bogʻlanish energiyali choʻqqilar valent elektronlarga, eng yuqori bogʻlanish energiyali choʻqqilar esa yadro elektronlariga tegishlidir.

Kirish: fotoelektron spektroskopiya nima?

Fotoelektron spektroskopiyasi (FES) bu – atomlar va molekulalardagi elektronlarning nisbiy energiyasini aniqlaydigan tajriba usuli. Kimyogarlar koʻpincha materiallarning elementar tarkibini oʻrganish yoki molekulalardagi xarakterli bogʻlarni tavsiflash uchun FES dan foydalanadilar. Ammo bu mavzuda atom tuzilishi haqidagi bilimlarimizni oshirish uchun FES dan foydalanamiz: element namunalari uchun FES maʼlumotlarini koʻrib chiqib, fotoelektron spektroskopiyasi qanday qilib elektron pogʻonalar, pogʻonachalar, elektron konfiguratsiyalar va boshqalarni tushuntirib berishini koʻramiz.

Fotoelektron spektroskopiya asoslari

Fotoelektron spektroskopiyasi 1905-yilda Albert Eynshteyn tomonidan birinchi marta tavsiflangan fizik hodisa – fotoeffektga asoslangan. Fotoeffekt hodisasi quyidagicha: metallarga yetarli nurlanish berilganda elektronlar metall yuzasidan ajralib chiqadi. Agar chiqib ketgan elektronlarning (fotoelektronlar deb nomlanadi) kinetik energiyasini va qoʻzgʻatuvchi nurlanishning energiyasini bilsak, metalldagi elektronlar energiyasini hisoblashimiz mumkin. (Koʻproq maʻlumot olish uchun fotoeffekt hodisasi haqida maqolani koʻrib chiqing.)
Fotoelektron spektroskopiyasi fotoeffekt hodisasini metallarning oʻrniga erkin atomlar yoki molekulalarga qoʻllaydi. FES da namuna yuqori energiyali nurlanish bilan bombardimon qilinadi, namunadan elektronni chiqarish uchun odatda UB yoki rentgen nurlari ishlatiladi. Chiqarilgan elektronlar namunadan energiya analizatoriga oʻtadi, u yerda ularning kinetik energiyalari aniqlanadi, soʻng turli kinetik energiyali fotoelektronlar sonini hisoblaydigan detektorga boradi. Ushbu jarayonning soddalashtirilgan diagrammasi quyida keltirilgan.
Fotoelektron spektrometrning diagrammasi. Namunani ionlash uchun UB yoki rentgen nurlari ishlatiladi va energiya analizatori chiqarilgan elektronlarning kinetik energiyalarini aniqlaydi. Rasm manbasi: "ARPESgeneral", muallif – Saiht, Wikimedia Commonsʼdan olingan, CCO 1.0.
Namunadan elektronni chiqarish uchun talab qilinadigan energiya elektronning ionlanish energiyasi yoki bogʻlanish energiyasi deb nomlanadi. Elektronni chiqarish uchun ishlatiladigan nurlanish energiyasini (hν) bilamiz. Shunday qilib, fotoelektronning kinetik energiyasini (KEelektron) aniqlash orqali biz namunadagi elektronning bogʻlanish energiyasini (BE) hisoblashimiz mumkin:
BE=hνKEelektron
Atomdagi elektronning bogʻlanish energiyasi uning yadro atrofida qanday joylashganiga bogʻliq. Eng tashqi pogʻonadagi elektronlar (valent elektronlar) yadrodan koʻproq ekranlangan va uzoqroq joylashgani uchun atomdagi barcha elektronlarga qaraganda eng kichik bogʻlanish energiyasiga ega boʻladi. Shunga koʻra ichki pogʻonadagi elektronlar (yadro elektronlari) kamroq ekranlangan va yadroga yaqinroq joylashgan boʻladi, shuning uchun ular yuqori bogʻlanish energiyasiga ega. Keyingi boʻlimda FES maʼlumotlarini tahlil qilish uchun muhim boʻlgan elektronning bogʻlanish energiyasi va uning joylashishi oʻrtasidagi bogʻliqlikni koʻrib chiqamiz.

FES spektrlarini tahlil qilish

FES tajribalaridan olingan maʼlumotlar bu fotoelektronlar soni va bogʻlanish energiyasidir. Odatda bogʻlanish energiyasi bir mol uchun elektron volt (eV) yoki megajoul (MJ) larda ifodalanadi. Elementlarning FES spektrida gorizontal oʻq boʻylab siljiganda bogʻlanish energiyasi kamayadi. Buni atom yadrosidan uzoqlashish deb tushunish mumkin.
FES spektrida turli xil bogʻlanish energiyalari oʻziga xos choʻqqilarni hosil qiladi. Atomning maʼlum bir pogʻonachasida joylashgan elektronlari bir xil bogʻlanish energiyasiga ega boʻlgani uchun har bir choʻqqi turli pogʻonachalarda joylashgan elektronlarga toʻgʻri keladi. Choʻqqining bogʻlanish energiyasi elektronni chiqarish uchun kerak boʻlgan energiyani, choʻqqining intensivligi esa pogʻonadagi elektronlar sonini koʻrsatadi.
Tasavvur qilish uchun baʼzi FES maʼlumotlarini koʻrib chiqaylik. Haqiqiy FES maʼlumotlari tartibsiz va mutaxassis boʻlmaganlarga tushuntirib berish murakkab boʻlgani sababli biz osonroq tushunish uchun soddalashtirilgan spektr modellarini koʻrib chiqachimiz.

Litiyning FES spektri

Li ning modellashtirilgan FES spektrini koʻrib chiqishdan boshlaymiz. Maʼlumot uchun litiyning elektron konfiguratsiyasi: 1s22s1.
Litiyning modellashtirilgan FES spektri.
FES spektridagi ikki choʻqqi litiyning 2 xil elektron pogʻonachasida (1s va 2s) joylashgan elektronlarga mos keladi. Energiyasi kattaroq boʻlgan choʻqqining intensivligi energiyasi past choʻqqidan 2 marta koʻp. Litiyning 1s pogʻonachasida 2s pogʻonacha qaraganda 2 marta koʻp elektron bor, shu sababli energiyasi baland choʻqqi litiyning 1s pogʻonachasiga toʻgʻri kelishi kerak.
Bu holatni bogʻlanish energiyasiga boʻyicha solishtirsak ham, mantiqan toʻgʻri boʻladi. Litiyning 1s pogʻonachasi yadroga 2s pogʻonachasiga nisbatan yaqinroq joylashgan va yadroga kuchliroq tortiladi. Shu sababli 1s elektronlarni chiqarish uchun koʻproq energiya talab etiladi. Bu maʼlumotlar nima uchun FES spektrida 1s ning choʻqqisi katta bogʻlanish energiyasiga ega ekanligini izohlab beradi.
Eʼtibor bergan boʻlsangiz, litiyning 2s choʻqqisining bogʻlanish energiyasi litiyning birinchi ionlanish energiyasiga teng, yaʼni litiy atomidan tashqi (valent) elektronlarni chiqarish uchun zarur boʻlgan energiya miqdorini koʻrsatadi. Ammo qarasak, 1s choʻqqisining bogʻlanish energiyasi litiyning ikkinchi ionlanish energiyasiga teng emas. Chunki litiydan birinchi elektron chiqarilgandan soʻng, 1s da joylashgan elektronlar yadroga yanada qattiqroq tortiladi va bu esa elektronlarning bogʻlanish energiyasini yanada oshishiga sabab boʻladi.

Kislorodning FES spektri

Keling, koʻproq elektronga ega boʻlgan boshqa bir elementni koʻrib chiqaylik. Quyida kislorod (O) uchun modellashtirilgan FES spektri berilgan. Maʼlumot uchun kislorodning elektron konfiguratsiyasi quyidagicha: 1s22s22p4.
Kislorodning modellashtirilgan FES spektri.
Ushbu spektrdagi uchta choʻqqi kislorodning turli (1s, 2s va 2p) pogʻonachalarida joylashgan elektronlarni ifodalaydi. Eng katta bogʻlanish energiyasiga ega boʻlgan choʻqqi (chapdan birinchi ) 1s pogʻonachadagi elektronlarga tegishli, chunki bu pogʻonacha 2s va 2p pogʻonachalarga nisbatan yadroga yaqinroq joylashgan va kuchliroq tortiladi. Keyinggi katta bogʻlanish energiyasiga ega boʻlgan choʻqqi 2s pogʻonachaga va eng past bogʻlanish energiyasiga ega boʻlgan choʻqqi (oʻngdan birinchi ) 2p pogʻonachaga mos keladi.
Bu uch choʻqqining intensivligini koʻrib chiqib bajargan topshirigʻimizning toʻgʻriligini tekshirishimiz mumkin: kislorodning 2p pogʻonachasida 1s va 2s pogʻonachalariga qaraganda ikki marta koʻproq elektron (4 ta va 2 ta) mavjud. Shu sababli 2p choʻqqining intensivligi 1s va 2s larning choʻqqilarning intensivligidan ikki marta koʻproq boʻlishi kerak. Bu spektrda oʻz ifodasini topgan.
Va nihoyat, 2s va 2p elektronlariga ga mos keladigan choʻqqilarning energiyasi biri biriga ancha yaqin qiymatlar ega ( 1 va 10 MJ/mol lar orasida ), eng yuqori bogʻlanish energiyasi qiymati 1s elektronlariga tegishli (100 MJ/mol ga yaqin). Bitta eletron pogʻonachalarda joylashgan elektronlarning energiyasi bir xil boʻladi, shuning uchun ularning FES spektrida ularning choʻqqisi bitta boʻlib chiqadi. Ushbu "guruhlar" yordamida FES spektrida yadro elektronlari va valent elektronlari bir-biridan farqlay olamiz.
Nazorat savoli: neytral kalsiyning FES spektrida nechta choʻqqi boʻladi??

FES spektri yordamida nomaʼlum elementni aniqlash

Fotoelektron spektrometr yordamida nomaʼlum elementning quyidagi spektri olindi. Bu qaysi elementga tegishli?
Nomaʼlum elementning modellashtirilgan FES spektri!
FES spektrida koʻringan 5 ta choʻqqi yadroga eng yaqin joylashgan 1s, 2s, 2p, 3s va 3p pogʻonachalariga toʻgʻri kelishini taxminan bilamiz. Eng katta bogʻlanish energiyali choʻqqi (chapdan birinchisi) 1s pogʻonachaga, eng kichik bogʻlanish energiyali choʻqqi (oʻngdan birinchisi) 3p pogʻonachaga toʻgʻri kelishi aniq. Eʼtibor bergan boʻlsangiz, 3p ga tegishli choʻqqining balandligi 1s, 2s va 3s lar choʻqqisi balandligining yarmiga teng, bu nomaʼlum elementimizning 3p pogʻonachasida 1 ta elektron borligini anglatadi.
Qaysi elementning 3p pogʻonachasida faqat bitta elektron bor? Davriy jadvalga qarasangiz, uchinchi qatorning p-blokidagi birinchi element Aluminiy (Al). Demak, bu bizdagi nomaʼlum element boʻlishi kerak. Ishonch hosil qilish uchun spektrdagi choʻqqilarni Al ning elektron konfiguratsiyasi (1s22s22p63s23p1) ga mos kelishini tekshirib koʻramiz.
Bizga maʼlumki, spektrda beshta choʻqqi bor, ular alyuminiyning elektron konfiguratsiyasidagi elektron bor pogʻonachalarga juda mos keladi. Choʻqqilarning intensivligi 2p pogʻonachada 1s, 2s va 3s spogʻonachalardan uch baravar hamda 3p pogʻonachadan olti baravar koʻp elektron borligini koʻrsatyapti. Nihoyat, spektrda uchta soha yoki choʻqqilar guruhi borligini koʻramiz, bu mantiqan Al dagi elektronlar uchta pogʻonada joylashganini koʻrsatadi. Xulosa sifatida, berilgan spektr aniq alyuminiyga tegishli ekanini aytishimiz mumkin!

Xulosa

  • Fotoelektron spektroskopiyasi (FES) bu – atomlar va molekulalardagi elektronlarning nisbiy energiyasini aniqlash uchun ishlatiladigan eksperimental usul.
  • Fotoelektron spektrometrlar namunalarni yuqori energiyali nurlanish (UB yoki rentgen nurlari) bilan ionlashtirishtiradi va chiqarilgan elektronlarning kinetik energiyasini (KE) aniqlaydi.
  • Qoʻzgʻatuchi nurlanish energiyasi (hν) va fotoelektrlarning KE ni hisobga olgan holda har bir chiqarilgan elektronning bogʻlanish energiyasi (BE) ni quyidagi tenglama yordamida hisoblashimiz mumkin: BE=hνKEelektron
  • FES spektri elektron soni va elektron bogʻlanish energiyasining bogʻliqlik grafigidir.
  • FES spektridagi choʻqqilar atomning turli energetik pogʻonachalaridagi elektronlarga mos keladi. Eng past bogʻlanish energiyali choʻqqilar valent elektronlarga, eng yuqori bogʻlanish energiyali choʻqqilar esa yadro elektronlariga tegishlidir.