Bevezetés a fotoelektron-spektroszkópiába

Ebben a videóban megismerkedünk a fotoelektron-spektroszkópiával. Ezzel a módszerrel az atomok elektronszerkezetét lehet vizsgálni. Amit általában a módszerrel kapcsolatban láthatunk, például vizsgafeladatokban is, az egy ehhez hasonló diagram, a fotoelektron-spektrum. Az első kérdés az, hogy egyáltalán miről is van itt szó. Hogy készül a spektrum? Ezzel túl részletesen nem foglalkozom, de a lényeg az, hogy a vizsgálatok során az adott mintából kilépő atomsugarat hoznak létre, amiben az atomok egy irányba áramlanak, és ezeket a vizsgálandó atomokat nagyenergiájú fotonokkal bombázzák. Ezek a fotonok elég nagy energiájúak, igen gyakran röntgenfotonok, így energiájuk ütközéskor még az atomtörzsek elektronjainak kötési energiáját is meghaladhatja. Miután ezek az elektronok kilépnek az atomból, adott sebességgel bejutnak egy mágneses mezőbe, amely eltéríti őket, majd becsapódnak egy detektorba. Így nem csoda, hogy az atommaghoz közelebbi elektronok kötési energiája nagyobb, mint a távolabbiaké. Ezért a közelebbi elektronok esetékben a foton energiájának nagyobb része fordítódik az elektron kiszabadítására, így kevesebb marad kinetikus energiaként. Ezért ezek a belső elektronok nem repülnek akkora sebességgel, mint a külső elektronok, amelyeknek kisebb a kötési energiájuk. Ezeket könnyebb kiszabadítani az atomból, így a foton energiájának nagyobb része alakulhat át az elektron mozgási energiájává. Ezek tehát nagyobb sebességgel repülnek, így másképpen térülnek el a detektor előtt. A fotoelektron-spektrum információt szolgáltat arról, hogy nagyjából hány elektron van a különböző kötési energiájú pályákon. Láthatod a diagramban, hogy a kötési energia bal felé haladva nő. Azért hasznos így ábrázolni, mert minél nagyobb a kötési energia, annál kisebb a kilépő elektron mozgási energiája. Ez a csúcs a bal szélen a legbelső elektronokhoz tartozik, ezek már távolabb vannak, a következő, kisebb kötési energiával, utánuk meg a még kisebb energiájúak. A spektrumot elemezve megállapíthatjuk az itt látható ismeretlen elem elektronszerkezetét. Szerinted mi lehet ez az elem? Állítsd meg a videót, és gondold meg! Visszatérve: amint mondtam, ez a csúcs a legbelső elektronokhoz tartozik, amelyek az 1s elektronok. Tudjuk azt is, hogy vannak további elektronok is, hiszen vannak csúcsok kisebb kötési energiáknál is. Mivel a legbelső héj telítődött, tudjuk, hogy két 1s-elektron van, a következő csúcs pedig nyilván a 2s lehet. Mivel ezen felül is vannak elektronok, a 2s alhéjnak is telítődnie kellett. A következő csúcs a 2p lehet. Ezt az is alátámasztja, hogy itt, mint látható, több elektront jelez a detektor, de még ezen felül is vannak elektronok. Tehát a 2p alhéjnak is telítettnek kell lennie. A mért spektrum nem mindig ennyire tökéletes, mint itt, de az akkor is látszik, hogy nagyjából háromszor annyi 2p-elektron van, mint 2s-elektron. A 2p alhéjon 6 elektron fér el, a 2s alhéjon pedig 2. A következő csúcs a következő legmagasabb energiájú (al)héjat jelenti, melynek kisebb a kötési energiája. Ezeket az elektronokat még könnyebb eltávolítani. Ez feltehetően a 3s², és a következő csúcs lehet a 3p⁶. Ez is telített (alhéj), ami után még egy csúcs van, és látható, hogy ugyanannyi elektronhoz tartozik, mint a többi s-alhéjnak megfelelő csúcs. Az Aufbau-elvből tudjuk, hogy a következő betöltődő héj a 4s, feltehetően két elektronnal, mivel a csúcs éppen akkora, mint a többi telített s-alhéjnál. A fentiek alapján egy fotoelektron-spektrumból kitalálhatjuk a kérdéses elem elektronszerkezetét. A szerkezet tehát 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s². Melyik elem elektronszerkezete ez? Foglalkoztunk vele más videókban, de elővehetjük a periódusos rendszert, és megnézhetjük. 1s²-vel eljutunk a héliumhoz, 2s², 2p⁶: itt vagyunk a neonnál; 3s², 3p⁶: az argonnál vagyunk, és végül a 4s²-vel a kalciumhoz értünk. Tehát az ismeretlen elem a kalcium, és ha a vegyértékelektronjai érdekelnek minket, azoknak ez a legkülső csúcs felel meg. Ez a legkisebb kötési energiához tartozó csúcs. Nekik a legkisebb a kötési energiájuk, ezek vannak a legmesszebb a magtól. Őket lehet a legkönnyebben kilökni, és emiatt a foton energiájából a legtöbb marad a kötési energia felhasználása után, ami mozgási energiává alakul. Így ezeknek az elektronoknak lesz a legnagyobb sebessége. Annak alapján, amit a kalcium fotoelektron-spektrumában látunk, milyen lehet a kálium spektruma? Emlékeztetőül: a kálium rendszáma 19, tehát 19 proton van az atommagjában, míg a kalciuméban 20. Tegyük fel, hogy semleges káliumatomról van szó, így elektronja is 19 lesz. Állítsd meg a videót, gondolkozz el, miben térhet el a spektruma! A kálium fotoelektron-spektruma nagyon hasonló lesz a kalciuméhoz, de mivel csak 19 protonja van, kisebb a magjának pozitív töltése, ezért kicsit kevésbé vonzza az elektronokat. Így a káliumban szintén lesz 1s², de kicsivel kisebb kötési energiánál, mivel a mag kevésbé vonzza az elektronokat. Nem rajzolom pontosan, lehet, hogy nem ennyire nagy az eltérés, inkább valamivel kisebb. Kb. így, de mindenképpen kicsivel jobbra tolódik. A 2s² is hasonlóképpen jobbra tolódik, a 2p⁶ is kicsit jobbra, ismét nem pontosan a rajznak megfelelően, mert nincsenek kéznél a pontos adatok. A 3s² is kicsit jobbra lesz. Ismétlem, csak 19 proton van a kalcium 20 protonjával ellentétben, így kisebb a mag vonzóereje, kisebb a kötési energia minden héjon, illetve alhéjon. A 3p⁶ is kicsit jobbra lesz. Nézzük, hogy fog kinézni a 4s-alhéj? A 4s-alhéjon nincs két elektron, csak egy, mivel a káliumatomban 20 helyett csak 19 elektron van. Ez is kicsit jobbra lesz, kisebb a kötési energiája, és csak fele olyan magas a csúcs, mert 1 elektron van a 4s héjon, nem 2. Valahogy így nézhet ki. Ez lehet a kálium hozzávetőleges fotoelektron-spektruma. Megbeszéltük már, hogy a külső héj az, ahol a vegyértékelektronok vannak. A káliumnál ez itt lesz. Azt is elárulja a spektrum, hogy mennyi a kötési energia, azaz mennyi energia kell egy elektron eltávolításához. Amikor az első elektront eltávolítjuk, az az első ionizációs energia. Ha egy elektron már távozott, az elektronok közti kölcsönhatások miatt a fotoelektron-spektrum meg fog változni, ezért innen nem derül ki a második vagy a harmadik ionizációs energia, de az első nem más, mint a legkülső elektronok kötési energiája.