Ana içerik
AP®︎/Üniversite Kimya
Fotoelektron Spektroskopisi
Önemli noktalar
- Fotoelektron spektroskopisi (PES), atom ve moleküllerdeki elektronların göreli enerjilerini belirlemek için kullanılan deneysel bir tekniktir.
- Fotoelektron spektrometreleri, numuneleri, UV ya da x-ışını gibi yüksek enerjili radyasyon bombardımanına tutarak, kopan elektronların kinetik enerjisini () ölçer.
- Gelen radyasyonun enerjisi () ile fotoelektronların kinetik enerjisi () bilindiğinde, koparılan her bir elektronun bağlanma enerjisi () aşağıdaki denklem yardımıyla hesaplanabilir:
- PES (FES) spektrumu, fotoelektron sayısını elektron bağlanma enerjisine göre gösteren bir grafiktir.
- PES spektrumundaki tepe noktaları, atomun farklı alt kabuklarında yer alan elektronlarını temsil eder. Bağlanma enerjisi en düşük olan tepe noktaları, değerlik elektronlarını, bağlanma enerjisi en yüksek olan tepe noktaları da çekirdek elektronlarını temsil eder.
Giriş: Fotoelektron Spektroskopisi Nedir?
Fotoelektron spektroskopisi (PES) atom ve moleküllerdeki elektronların göreli enerjilerini ölçen, deneysel bir tekniktir. Bilim insanları, PES kullanarak maddelerin hangi elementlerden oluştuğunu ya da moleküller arasında hang, bağların yer aldığını belirlemeye çalışırlar. Bu makalede, PES'i, atomun yapısı hakkındaki bilgilerimizi derinleştirmek için kullanacağız. Bunu yaparken, elementlerin saf numunelerinin PES verilerini inceleyecek ve fotoelektron spektroskopisinin, elektron kabukları, alt kabukları, elektron dizilimleri ve daha fazla kavram için destekleyici bilgileri nasıl sağladığını göreceğiz.
Fotoelektron spektroskopisinin temelleri
Fotoelektron spektroskopisi, ilk olarak Albert Einstein tarafından 1905 yılında karakterize edilmiş fotoelektrik etkiyi baz alır. Fotoelektrik etki şu şekilde işler: bir metaldeki elektronlar, yeterli radyasyona sahip bir ışığa maruz bırakılırlarsa, metal yüzeyinden koparılırlar. Koparılan elektronların, ki bunlardan fotoelektron olarak bahsedilir, kinetik enerjisinin ve gelen radyasyonun enerjisinin ne olduğunu bildiğimizde, katı metaldeki elektronların enerjisini hesaplayabiliriz. (Daha fazla detay için fotoelektrik etki ile ilgili bu makaleyi inceleyebilirsiniz).
Fotoelektron spektroskopisi, fotoelektrik etkiyi, metaller yerine serbest atom ya da moleküllere uygular. PES de, bir numune genellikle morötesi ya da X-ışını gibi yüksek enerjili radyasyon bombardımanına tutulur ve bu şekilde numuneden elektron koparılır. Koparılan elektronlar, numuneden ayrılıp bir enerji analizörüne gelir, burada kinetik enerjileri kaydedilir, sonra da bir dedektör aracılığı ile farklı kinetik enerjilere sahip fotoelektronlar sayılır. Bu sürecin basitleştirilmiş bir şemasını aşağıda bulabilirsiniz.
Bir fotoelektron spektrometresi.
Bir numuneden elektron koparmak için gerekli enerji, elektronun iyonlaşma enerjisi ya da bağlanma enerjisi olarak adlandırılır. Elektron koparmak için kullanılan enerjiyi () biliyoruz. Bu durumda, fotoelektronun kinetik enerjisini () ölçerek, numunedeki elektronun bağlanma enerjisini () hesaplayabiliiz:
Atomdaki bir elektronun bağlanma enerjisi, elektronun çekirdek etrafındaki konumuna bağlıdır. En dıştaki kabukta yer alan elektronlar (değerlik elektronları), çekirdekten ortalama olarak daha uzakta yer aldıkları ve kalkan etkisine maruz kaldıkları için, atomdaki tüm elektronlar içinde bağlanma enerjileri en düşük olan elektronlardır. Bunun aksine, iç kabuklarda yer alan elektronlar (çekirdek elektronları), çekirdeğe ortalama olarak daha yakın oldukları ve daha küçük bir kalkan etkisine maruz kaldıkları için, bağlanma enerjileri en yüksek olan elektronlardır. Bir sonraki bölümde de göreceğimiz üzere, bir elektronun bağlanma enerjisi ve konumu arasındaki ilişkiyi anlamak, PES verilerinin yorumlanması açısından çok önemlidir.
PES spektrumlarının analizi
PES deneyleri sonucu elde edilen veriler, bağlanma enerjisine göre fotoelektron sayısını veren grafikler ile gösterilir. Bu grafiklerde, bağlanma enerjisi birimi olarak genellikle mol başına elektron volt () ya da megajul () kullanılır. Verinin yorumlanmasına yardımcı olmak amacıyla, elementlerin PES verileri grafik üzerinde, bağlanma enerjileri yatay eksende sağa ilerledikçe azalacak şekilde gösterilir. Bu şekilde orijinin de atomun çekirdeğini temsil ettiğini varsayabiliriz.
Tipik bir spektrumda, farklı bağlanma enerjilerine denk gelen tepe noktaları bulunur. Atomun belirli bir alt kabuğunda yer alan elektronların bağlanma enerjileri aynı olduğu için, bu tepe noktalarının her biri farklı bir alt kabukta yer alan elektronları temsil eder. Bir tepe noktasının bağlanma enerjisi, bir alt kabuktan bir elektron koparmak için gerekli enerjiyi, tepe noktasının yüksekliği ise o alt kabukta yer alan elektron sayısını verir.
Örnek olması amacıyla, bazı PES verilerini incelemeye ne dersiniz? Gerçek PES verileri çoğu zaman karmakarışıktır ve bu sebeple uzman olmayan kişilerce yorumlanmaları da oldukça zordur. Bu yüzden, anlamamızı kolaylaştırmak adına, verinin basitleştirildiği, idealleştirilmiş bir spektrumu inceleyeceğiz.
Lityumun PES spektrumu
Lityumun () idealleştirilmiş PES spektrumuna bir göz atalım. Bu arada, lityumun taban durum elektron dizilimini de aklımızın bir köşesinde tutmamızda fayda var: .
Lityumun idealleştirilmiş PES spektrumu. Spektrumda, biri 10 ve 1 MJ/mol arasında bir bağlanma enerjisine, diğeri de 1 ve 0 MJ/mol arasında bir bağlanma enerjisine sahip iki tepe noktası bulunuyor. Bağlanma enerjisi daha yüksek olan tepe noktasının yüksekliği, bağlanma enerjisi daha düşük olan tepe noktasının yüksekliğinin iki katı.
PES spektrumunda, lityumun farklı alt kabuğunda ( ve ) yer alan elektronları temsil eden iki tepe noktası görüyoruz. Orijine daha yakın olan tepe noktasının yüksekliği, daha uzak olan tepe noktasının yüksekliğinin iki katı. Lityumun alt kabuğunda, alt kabuğunun iki katı sayıda elektron olduğunu biliyoruz (bu alt kabukların elektron sayıları ve ^dir). Bu durumda, orijine daha yakın olan tepe noktasının, lityumun alt kabuğunu temsil ediyor olması gerekir.
Tüm bunlar, bağlanma enerjileri açısından düşündüğümüzde de mantıklı: Lityumun alt kabuğundaki elektronlar, alt kabuğundaki elektronlara oranla çekirdeğe daha yakınlar ve daha az kalkan etkisi altındalar. Bunun sonucu olarak, alt kabuğundaki elektronları koparmak için gerekli olan enerji daha büyüktür, diyebiliriz. Bu durum, PES spektrumundaki tepe noktasının bağlanma enerjisinin daha yüksek olması ile de tutarlı.
Lityumun tepe noktasının bağlanma enerjisinin, lityumun en dış kabuğunda yer alan ya da çekirdek ile arasındaki çekim kuvveti en az olan elektronu koparmak için gerekli olan enerjiye, bir başka deyişle, lityumun birinci iyonlaşma enerjisine eşit olduğuna dikkatinizi çekmek istiyoruz. Ancak, tepe noktasının bağlanma enerjisi, lityumun ikinci iyonlaşma enerjisine eşit değildir. Lityumdan bir elektron koparıldığında, elektronları çok daha kuvvetli bir çekim kuvvetine maruz kalırlar ve bu durum da, bu elektronların bağlanma enerjilerini yükseltir.
Oksijenin PES spektrumu
Şimdi de, elektron sayısı daha fazla olan bir elementi ele alalım. Aşağıda, oksijenin idealleştirilmiş PES spektrumu yer alıyor. Bu arada, oksijenin de taban durum elektron dizilimini aklımızda tutmamızda fayda var: .
Oksijenin idealleştirilmiş PES spektrumu. Spektrumda, biri 100 ve 10 MJ/mol arasında bir bağlanma enerjisine, diğer ikisi de 10 ve 1 MJ/mol arasında bir bağlanma enerjisine sahip üç tepe noktası bulunuyor. Bağlanma enerjisi daha düşük olan tepe noktasının yüksekliği, bağlanma enerjisi daha yüksek olan diğer iki tepe noktasının yüksekliğinin iki katı.
Bu spektrumda, oksijenin farklı alt kabuklarındaki (, ya da ) elektronları temsil eden üç tepe noktası görüyoruz. Bağlanma enerjileri bakımından incelendiğinde, bağlanma enerjisi en yüksek olan tepe noktasının (en soldaki), alt kabuğunda yer alan elektronları temsil ettiğini düşünebiliriz. Bunun sebebi, bu alt kabukta yer alan elektronların, ya da alt kabuklarındaki elektronlara göre çekirdeğe daha yakın olmaları ve maruz kaldıkları kalkan etkisinin de daha zayıf olmasıdır. Bundan sonraki en yüksek bağlanma enerjisine sahip tepe noktası alt kabuğunu, en düşük bağlanma enerjisine sahip tepe noktası da (en sağdaki) alt kabuğunu temsil ediyor.
Belirlediğimiz tepe noktalarının doğru olup olmadıklarını, yüksekliklerini karşılaştırarak kontrol edebiliriz. Oksijenin alt kabuğundaki elektron sayısı (), ya da alt kabuğundaki elektron sayılarının () iki katıdır. Bunun sonucu olarak, bizim de bu spektrumda gördüğümüz gibi, tepe noktasının yüksekliğinin, ya da tepe noktalarının yüksekliklerinin iki katı olması normaldir.
Son olarak, ve elektronlarını temsil eden tepe noktalarının bağlanma enerjilerinin yaklaşık olarak aynı olduğunı (ikisi de, ve arasında değerlere sahiptir) ve elektronlarını temsil eden tepe noktasının bağlanma enerjisinin de diğer iki tepe noktasından çok daha yüksek olduğunu (yaklaşık olarak ) söyleyebiliriz. Aynı alt kabukta yer alan elektronların bağlanma enerjileri benzer olduğu için, aynı alt kabukta yer alan elektronların tepe noktalarının bir PES spektrumunda bir grup olarak gösterilmelerini bekleriz. Bir PES spektrumunu incelerken bu grupları dikkate alırsanız, değerlik elektronlarını ve çekirdek elektronlarını kolaylıkla belirleyebilirsiniz.
Kavram kontrolü: Nötr kalsiyumun PES spektrumda kaç tane tepe noktası olmasını beklersiniz?
PES spektrumunu inceleyerek bir elementin, hangi element olduğunu belirleyelim
Bilinmeyen saf bir elemete ait bir numune, bir fotoelektron spektrometresinde analiz edildiğinde aşağıdaki spektrum elde edilmiştir. Bilinmeyen elementin, hangi element olduğunu belirleyin.
Bilinmeyen bir elementin idealleştirilmiş PES spektrumu. Spektrumda, biri yaklaşık olarak 100 MJ/mol'lük bir bağlanma enerjisine, ikisi yaklaşık olarak 10 MJ/mol'lük bağlanma enerjisine ve son ikisi de yaklaşık olarak 1 MJ/mol'lük bağlanma enerjisine sahip beş tepe noktası bulunuyor. Bu tepe noktalarının yüksekliklerinin soldan sağa, 2x, 2x, 6x, 2x ve 1x olduğunu görüyoruz.
PES spektrumunda, çekirdeğe en yakın alt kabuklarda (, , , ve ) yer alan elektronları temsil etmesi gereken beş tepe noktası bulunuyor. Bağlanma enerjisi en yüksek olan tepe noktası (en soldaki), alt kabuğuna ait olmalı. Buna karşın, bağlanma enerjisi en düşük olan tepe noktası da (en sağdaki) alt kabuğunu temsil ediyor olmalı. tepe noktasının yüksekliğinin, , ve tepe noktalarının yüksekliklerinin yarısı olduğuna dikkatinizi çekmek istiyoruz. Bu, bilinmeyen elementimizin alt kabuğunda yalnızca elektron olduğu anlamına gelir.
alt kabuğunda yalnızca bir elektron bulunan element hangisidir? Periyodik tabloyu incelersek, p-bloğundaki üçüncü satırda yer alan ilk elementin alüminyum () olduğunu görebiliriz. Bilinmeyen elementimiz bu olmalı! Emin olmak için, spektrumdaki tepe noktalarının, 'in elektron dizilimi () ile uyumlu olup olmadığını kontrol edebiliriz.
Bildiğimiz üzere, spektrumda beş tane tepe noktası bulunuyor. Ve bu, alüminyumun elektron diziliminde de görebileceğimiz beş dolu alt kabuk bilgisi ile tutarlı. Tepe noktalarının yüksekliklerini incelediğimizde, alt kabuğundaki elektron sayısının, , ve alt kabuklarındaki elektron sayısının üç katı, alt kabuğundaki elektron sayısının da altı katı olduğunu görüyoruz. Son olarak, spektrumda üç tepe noktası grubu bulunuyor ve bu da, 'deki elektron kabuklarının üçünün dolu olması ile tutarlı. Kısacası, bu spektrumun alüminyumu temsil ettiği konusunda kendimizden emin olabiliriz!
Özet
- Fotoelektron spektroskopisi (PES), atom ve moleküllerdeki elektronların göreli enerjilerini belirlemek için kullanılan deneysel bir tekniktir.
- Fotoelektron spektrometreleri, numuneleri, UV ya da x-ışını gibi yüksek enerjili radyasyon bombardımanına tutarak, kopan elektronların kinetik enerjisini () ölçer.
- Gelen radyasyonun enerjisi () ile fotoelektronların kinetik enerjisi () bilindiğinde, koparılan her bir elektronun bağlanma enerjisi () aşağıdaki denklem yardımıyla hesaplanabilir:
- PES (FES) spektrumu, fotoelektron sayısını elektron bağlanma enerjisine göre gösteren bir grafiktir.
- PES spektrumundaki tepe noktaları, atomun farklı alt kabuklarında yer alan elektronlarını temsil eder. Bağlanma enerjisi en düşük olan tepe noktaları, değerlik elektronlarını, bağlanma enerjisi en yüksek olan tepe noktaları da çekirdek elektronlarını temsil eder.
Tartışmaya katılmak ister misiniz?
İngilizce biliyor musunuz? Khan Academy'nin İngilizce sitesinde neler olduğunu görmek için buraya tıklayın.
Henüz gönderi yok.