مطيافية الانبعاث الضوئي

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
مبدأ مطيافية الانبعاث الضوئي المعتمدة على الزاوية .

يشير مصطلح مطيافية الانبعاث الضوئي ( PES )، والمعروفة أيضًا باسم مطيافية الإلكترونات الضوئية ، [ 1 ] إلى قياس طاقة أو دوران الإلكترونات المنبعثة من المواد الصلبة أو الغازية أو السائلة بفعل التأثير الكهروضوئي ، وذلك لتحديد طاقات الربط أو الخصائص المغناطيسية [ 2 ] للإلكترونات في المادة. ويشمل هذا المصطلح تقنيات متنوعة، اعتمادًا على مصدر طاقة التأين ، سواءً كان أشعة سينية أو أشعة فوق بنفسجية شديدة أو أشعة فوق بنفسجية . وبغض النظر عن حزمة الفوتونات الساقطة، فإن جميع تقنيات مطيافية الإلكترونات الضوئية تتمحور حول موضوع عام هو تحليل السطح عن طريق قياس الإلكترونات المنبعثة. [ 3 ]

الأنواع

طُوِّرت تقنية مطيافية الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية (XPS) على يد كاي سيغبان بدءًا من عام 1957 [ 4 ] [ 5 ] ، وتُستخدم لدراسة مستويات طاقة إلكترونات النواة الذرية، وخاصةً في المواد الصلبة. أطلق سيغبان على هذه التقنية اسم "مطيافية الإلكترونات للتحليل الكيميائي" (ESCA)، نظرًا لأن مستويات الطاقة الأساسية تُظهر انزياحات كيميائية صغيرة تعتمد على البيئة الكيميائية للذرة المتأينة، مما يسمح بتحديد التركيب الكيميائي. مُنح سيغبان جائزة نوبل عام 1981 تقديرًا لهذا العمل. يُشار أحيانًا إلى XPS باسم PESIS (مطيافية الإلكترونات الضوئية للأغلفة الداخلية)، بينما يُشار إلى الإشعاع ذي الطاقة المنخفضة للأشعة فوق البنفسجية باسم PESOS (الأغلفة الخارجية) لأنه لا يستطيع إثارة إلكترونات النواة. [ 6 ]

تُستخدم مطيافية الفوتونات فوق البنفسجية (UPS) لدراسة مستويات طاقة التكافؤ والروابط الكيميائية، وخاصةً طبيعة الروابط في المدارات الجزيئية. طُوّرت هذه الطريقة في الأصل لجزيئات الحالة الغازية عام 1961 على يد فيودور آي. فيليسوف [ 7 ] ، وفي عام 1962 على يد ديفيد دبليو. تيرنر [ 8 ] ، ومن بين الباحثين الأوائل الآخرين ديفيد سي. فروست، وجيه إتش دي إيلاند، وكيه. كيمورا. لاحقًا، عدّل ريتشارد سمولي هذه التقنية واستخدم ليزرًا فوق بنفسجيًا لإثارة العينة، وذلك لقياس طاقة ربط الإلكترونات في التجمعات الجزيئية الغازية.

أصبحت مطيافية الانبعاث الضوئي المُحَلَّلة بالزاوية (ARPES) أكثر تقنيات مطيافية الإلكترون شيوعًا في فيزياء المادة المكثفة، وذلك بفضل التطورات الحديثة في دقة الطاقة والزخم، والتوافر الواسع لمصادر ضوء السنكروترون. تُستخدم هذه التقنية لرسم خرائط بنية نطاقات المواد الصلبة البلورية، ودراسة ديناميكيات الجسيمات شبه الحقيقية في المواد شديدة الترابط، وقياس استقطاب دوران الإلكترون.

يعمل التحليل الطيفي للإلكترونات الضوئية ثنائي الفوتون (2PPE) على توسيع نطاق هذه التقنية لتشمل الحالات الإلكترونية المثارة ضوئيًا من خلال إدخال مخطط الضخ والاستشعار.

تقع مطيافية الفوتونات الإلكترونية في نطاق الأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUPS) بين مطيافية الفوتونات الإلكترونية في نطاق الأشعة السينية (XPS) ومطيافية الفوتونات الإلكترونية في نطاق الأشعة فوق البنفسجية (UPS). وتُستخدم عادةً لتقييم بنية نطاق التكافؤ. [ 9 ] بالمقارنة مع XPS، توفر EUPS دقة طاقة أفضل ، وبالمقارنة مع UPS، تكون الإلكترونات المنبعثة أسرع، مما يؤدي إلى شحنة فراغية أقل وتأثيرات حالة نهائية مخففة. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

المبدأ الفيزيائي

تعتمد تقنية مطيافية الإلكترونات الضوئية (PES) على تطبيق التأثير الكهروضوئي . تُعرَّض العينة لحزمة من الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة فوق البنفسجية الشديدة، مما يُحفز التأين الكهروضوئي. تتميز طاقات الإلكترونات الضوئية المنبعثة بحالاتها الإلكترونية الأصلية، وتعتمد أيضًا على الحالة الاهتزازية ومستوى الدوران. بالنسبة للمواد الصلبة، لا تستطيع الإلكترونات الضوئية الإفلات إلا من عمق في حدود النانومترات، لذا يتم تحليل الطبقة السطحية.

بسبب التردد العالي للضوء، والشحنة والطاقة الكبيرتين للإلكترونات المنبعثة، يُعدّ الانبعاث الضوئي من أكثر التقنيات حساسيةً ودقةً لقياس طاقات وأشكال الحالات الإلكترونية والمدارات الجزيئية والذرية. كما يُعدّ الانبعاث الضوئي من أكثر الطرق حساسيةً للكشف عن المواد بتراكيز ضئيلة، شريطة أن تكون العينة متوافقة مع الفراغ العالي جدًا وأن يكون بالإمكان تمييز المادة المراد تحليلها عن الخلفية.

تستخدم أجهزة مطيافية الإلكترونات الضوئية (PES) النموذجية (UPS) غاز الهيليوم كمصادر للأشعة فوق البنفسجية، بطاقة فوتونية تصل إلى 52 إلكترون فولت (ما يعادل طول موجة 23.7  نانومتر). تُجمع الإلكترونات الضوئية التي انطلقت فعليًا إلى الفراغ، وتُبطأ سرعتها قليلًا، ثم تُحلل طاقتها، وتُحصى. ينتج عن ذلك طيف لشدة الإلكترونات كدالة للطاقة الحركية المقاسة. ولأن قيم طاقة الربط أسهل تطبيقًا وفهمًا، تُحوّل قيم الطاقة الحركية، التي تعتمد على المصدر، إلى قيم طاقة ربط، لا تعتمد على المصدر. ويتحقق ذلك بتطبيق علاقة أينشتاين.هـك=حν-هـب{\displaystyle E_{k}=h\nu -E_{B}}. الحν{\displaystyle h\nu }يمثل الحد في هذه المعادلة طاقة كمّات ضوء الأشعة فوق البنفسجية المستخدمة في الإثارة الضوئية. كما تُقاس أطياف الانبعاث الضوئي باستخدام مصادر إشعاع السنكروترون القابلة للضبط.

تُعدّ طاقات الربط للإلكترونات المقاسة سمة مميزة للبنية الكيميائية والروابط الجزيئية للمادة. وبإضافة مُوحِّد لون المصدر وزيادة دقة طاقة محلل الإلكترونات، تظهر قمم بعرض نصف القيمة القصوى (FWHM) أقل من 5-8 ملي إلكترون فولت.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC )، موسوعة المصطلحات الكيميائية ، الطبعة الخامسة (الكتاب الذهبي) (2025). النسخة الإلكترونية: (2006 – ) " مطيافية الإلكترونات الضوئية (PES) ". doi : 10.1351/goldbook.P04609
  2. ↑ "مطيافية الانبعاث الضوئي المُحَلَّل باللف المغزلي (SpinPES) | مجموعة سبيكس" . www.specs-group.com . تاريخ الاسترجاع: 25 أغسطس 2025 .
  3. ↑ هرقل، د.م.؛ هرقل، ش.هـ. (1984). "الكيمياء التحليلية للأسطح. الجزء الأول: الجوانب العامة". مجلة التعليم الكيميائي . 61 (5): 402. Bibcode : 1984JChEd..61..402H . doi : 10.1021/ed061p402 .
  4. ↑ نوردلينغ، كارل؛ سوكولوفسكي، إيفلين؛ سيغبان، كاي (1957). "طريقة دقيقة للحصول على القيم المطلقة لطاقات الربط الذري". مجلة Physical Review . 105 (5): 1676. Bibcode : 1957PhRv..105.1676N . doi : 10.1103/PhysRev.105.1676 .
  5. ^ سوكولوفسكي إي. نوردلينج سي. سيغباهن ك. (1957). "التحليل المغناطيسي للأشعة السينية ينتج عنه صور وإلكترونات أوجيه" . أركيف فور فيسيك . 12 : 301. أوستي 4353113 . 
  6. ↑ غوش، ب.ك. (1983). مقدمة في مطيافية الإلكترونات الضوئية . جون وايلي وأولاده . ISBN 978-0-471-06427-5.
  7. ↑ فيليسوف، ف. إ.؛ كورباتوف، ب. ل.؛ تيرينين، أ. ن. (1961). "توزيع الإلكترونات على الطاقات في التأين الضوئي للأمينات العطرية في الحالة الغازية". الفيزياء السوفيتية دوكلادي . 6 : 490. رمز Bibcode : 1961SPhD....6..490V .
  8. ↑ تيرنر، د. و.؛ جوبوري، م. إ. أ. (1962). "تحديد جهود التأين بقياس طاقة الإلكترون الضوئي". مجلة الفيزياء الكيميائية . 37 (12): 3007. Bibcode : 1962JChPh..37.3007T . doi : 10.1063/1.1733134 .
  9. ↑ باور، م.؛ لي، س.؛ ريد، ك.؛ توبي، ر.؛ وآخرون . (2001). "الملاحظة المباشرة للكيمياء السطحية باستخدام نبضات الأشعة السينية اللينة فائقة السرعة" (ملف PDF) . مجلة Physical Review Letters . 87 (2) 025501. Bibcode : 2001PhRvL..87b5501B . doi : 10.1103/PhysRevLett.87.025501 . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 11 يونيو 2007. 
  10. ↑ كوردر، كريستوفر؛ تشاو، بينغ؛ باكاليس، جين؛ لي، شينلونغ؛ كيرشيس، ماثيو د.؛ موراكا، أماندا ر.؛ وايت، مايكل ج.؛ أليسون، توماس ك. (24 يناير 2018). "انبعاث ضوئي فائق السرعة للأشعة فوق البنفسجية القصوى بدون شحنة فضائية" . ديناميكيات الهياكل . 5 (5): 054301. arXiv : 1801.08124 . doi : 10.1063/1.5045578 . PMC 6127013. PMID 30246049 .  
  11. ↑ هي، يو؛ فيشيك، إينا م.؛ يي، مينغ؛ يانغ، شولونغ؛ ليو، تشونغكاي؛ لي، جيمس ج.؛ تشين، سودي؛ ريبيك، سلافكو ن.؛ لوينبرغر، دومينيك (يناير 2016). "مقالة مدعوة: انبعاث ضوئي عالي الدقة بزاوية محددة باستخدام ليزر 11 إلكترون فولت مكتبي". مراجعة الأدوات العلمية . 87 (1): 011301. arXiv : 1509.01311 . Bibcode : 2016RScI...87a1301H . doi : 10.1063/1.4939759 . ISSN 0034-6748 . PMID 26827301. S2CID 205211154 .   
  12. ↑ روبرتس، ف. سلون؛ أندرسون، سكوت ل.؛ ريبر، آرثر س.؛ خانا، شيف ن. (2015-03-05). "تأثيرات الحالة الابتدائية والنهائية في مطيافية الفوتونات فوق البنفسجية والأشعة السينية (UPS وXPS) لتجمعات Pdn المختارة الحجم والمثبتة على TiO2(110)". مجلة الكيمياء الفيزيائية ج . 119 (11): 6033-6046 . doi : 10.1021/jp512263w . ISSN 1932-7447 . 

للمزيد من القراءة