- •Кафедра фізики металів
- •Реферат
- •Рентгенівська електронна спектроскопія
- •Закони зовнішнього фотоефекту
- •Фізичні основи рентгенівської електронної спектроскопії
- •Основне рівняння фотоефекту для твердих тіл
- •Експериментальні установки та матеріали
- •Загальні принципи побудови спектрометрів
- •. Надвисоковакуумний сканувальний зондовий мікроскоп
- •Зразки для досліджень
- •Отримані результати і обговорення
- •Висновки:
- •Перелік літературних посилань:
-
Рентгенівська електронна спектроскопія
В рентгенівській електронній спектроскопії досліджується розподіл вибитих з кристалу фото- й оже-електронів.
Існує два метода фотоелектронної спектроскопії – метод рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФЕС) та метод ультрафіолетової фотоелектронної спектроскопії (УФС). Обидва методи базуються на одному й тому самому фізичному явищі – зовнішньому фотоефекті. Фотоелектрони мають певну кінетичну енергію (Екін), величина якої залежить від енергії квантів збудження (hν). Втім, до останнього часу прийнято вважати ці методи більш-менш незалежними один від одного, що пов’язано з застосуванням різних джерел «світла» для збудження фотоелектронів. У випадку рентгеноелектронної спектроскопії джерелом є рентгенівська трубка, яка випромінює потужний потік рентгенівських фотонів. В фотоелектронній спектроскопії джерелом «світла» є газорозрядна лампа, яка генерує ультрафіолетове випромінювання.
Нагадаємо, що фотоефект – це випускання електронів речовиною під дією світла. У конденсованих речовинах (твердих і рідких) виділяють зовнішній та внутрішній фотоефект. Зовнішнім фотоефектом (фотоелектронною емісією) називається випускання електронів речовиною під дією електромагнітних випромінювань. Електрони, що вилітають з речовини при зовнішньому фотоефекті, називаються фотоелектронами, а електричний струм, утворений ними при впорядкованому русі в зовнішньому електричному полі, називається фотострумом.
-
Закони зовнішнього фотоефекту
1. Закон Столєтова: при незмінному спектральному складі електромагнітних випромінювань, падаючих на фотокатод, фотострум насичення пропорційний енергетичній освітленості катода (інакше: число фотоелектронів, що вибиваються з катода за 1 с, прямо пропорційно інтенсивності випромінювання).
2. Максимальна початкова швидкість фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою.
3. Для кожної речовини існують порогові значення частоти та довжини хвилі світла, які відповідають межі існування фотоефекту; світло з меншою частотою та більшою довжиною хвилі фотоефекту не викликає. Оскільки це порогове значення завжди ближче до червоного світла, то йому дали назву червона межа фотоефекту.
-
Фізичні основи рентгенівської електронної спектроскопії
Під дією кванта світла з енергією ε = hν з речовини вибиваються електрони. Енергія фотона витрачається на іонізацію атома речовини і на роботу, необхідну для «виривання» електрона, а залишок переходить у кінетичну енергію електрона. Таким чином, закон збереження енергії при фотоефекті можна записати у наступному вигляді:
hν = Eзв + Екін або , (1),
де Езв - енергія зв’язку (іонізації), Екін = mυ2/2– кінетична енергія, яку має електрон при вильоті з металу, A – робота виходу (мінімальна енергія, необхідна для видалення електрона з речовини).
З цієї формули й випливає існування червоної границі фотоефекту, тобто існування найменшої частоти, нижче якої енергії фотона вже недостатньо для того, щоб «вибити» електрон з металу.
На рис. 2 зображена схематична діаграма, що ілюструє процес фотоемісії на поверхні металу. Показано відповідність між щільністю заповнених електронних станів D(Ei) у твердому тілі і спектром фотоемісії I(Ek). Піки пружних фотоелектронів накладені на безперервний фон непружних вторинних електронів.
Рисунок 2 – Процес фотоемісії
В рівнянні (1) відображаються головні особливості зовнішнього фотоефекту. Але в деяких випадках для отримання точних значень енергії зв’язку Езв необхідно враховувати ряд додаткових факторів, що описують особливості досліджуваних систем.
Йон, який виникає при видаленні електрону з атома або молекули, також отримує внаслідок зіткнення з фотоном деяку кінетичну енергію, на яку необхідно зменшити енергію досліджуваного фотоелектрона. В такому випадку рівняння для фотоефекту виглядатиме так:
hν = Eзв + Екін + Евід, (2)
де Евід - енергія віддачі при емісії електрона.
Але маса виниклого йона настільки більша за масу електрона, що вилітає, що у відповідності до закону збереження моменту кількості руху його кінетична енергія занадто мала у порівнянні з енергією електрона (При hν ~ 1500 еВ, Евід ~ 0,1 еВ). В такому разі при інтерпретації спектрів її можна не враховувати, й додатковим членом в рівнянні (2) можна знехтувати.
Атоми, що формують молекулу, можуть коливатися один відносно другого, а молекула може ще й обертатися як єдине ціле. Внаслідок цього виникає необхідність враховувати можливість перебування молекули до та після вибивання фотоелектрона в станах з певною коливальною (Екол) й обертальною (Еоб) енергіями. Тоді основне рівняння фотоефекту (1) буде мати вигляд:
hν = Eзв + Екін + ΔЕкол + ΔЕоб, (3)
де ΔЕкол - зміна коливальної, а ΔЕоб - обертальної енергій молекули при іонізації. Таким чином, фотоелектрон, вибитий з якогось електронного рівня з енергією Езв, може мати різну кінетичну енергію Екін в залежності від того, в який коливальний та обертальний стан переходить молекула в процесі іонізації.
З (3) видно, що кожному значенню Екін відповідає свій максимум в фотоелектронному спектрі. Оскільки Езв >> ΔЕкол > ΔЕоб, то відповідні лінії рентгеноелектронного спектру, які пов’язані з різними значеннями ΔЕкол та ΔЕоб, повинні проявитися у вигляді окремих максимумів на фоні основної лінії, що відповідає вибиванню електрона з деякого електронного рівня. Але мала енергетична відстань між окремими коливальними та обертальними рівнями (< 0,1 еВ) зазвичай не дозволяє виявити на спектрі окремі лінії, що пов’язані з цими рівнями. Наявність відповідних рівнів проявляється в рентгеноелектронних спектрах у вигляді розширення основної лінії, а тонка структура проявляється лише за допомогою спектрометрів з дуже високою розподільною здатністю.