¿Qué es la espectroscopía de fotoelectrones?

La espectroscopía de fotoelectrones es un método para analizar sustancias usando el efecto fotoeléctrico. Cuando un fotón interactúa con un átomo o molécula, puede, si tiene suficiente energía, hacer que se expulse un electrón. El electrón se expulsa con una energía cinética que depende de su estado de energía inicial y de la energía del fotón entrante. La longitud de onda del fotón determina su energía, con longitudes de onda más cortas que tienen energías más altas. Al irradiar una sustancia con fotones de una longitud de onda conocida, es posible obtener información sobre su composición química y otras propiedades, midiendo las energías cinéticas de los electrones expulsados.

Cuando se expulsa un electrón cargado negativamente de un átomo, se forma un ion positivo y la cantidad de energía requerida para expulsar un electrón se conoce como energía de ionización o energía de unión. Los electrones están dispuestos en orbitales alrededor del núcleo atómico, y se requiere más energía para desplazar a los que están cerca del núcleo que a los que están en orbitales más distantes. La energía de ionización de un electrón depende principalmente de la carga en el núcleo (cada elemento químico tiene un número diferente de protones en el núcleo y, por lo tanto, una carga diferente) y del orbital del electrón. Cada elemento tiene su propio patrón único de energías de ionización y en la espectroscopía de fotoelectrones, la energía de ionización para cada electrón que se detecta es simplemente la energía del fotón entrante menos la energía cinética del electrón expulsado. Como se conoce el primer valor y se puede medir el segundo, los elementos presentes en una muestra se pueden determinar a partir de los patrones de energías de ionización observados.

Se necesitan fotones relativamente energéticos para expulsar electrones, lo que significa que se requiere radiación hacia el extremo de alta longitud de onda corta del espectro electromagnético. Esto ha dado lugar a dos métodos principales: la espectroscopía de fotoelectrones ultravioleta (UPS) y la espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS). La radiación ultravioleta solo es capaz de expulsar los electrones de valencia más externos de las moléculas, pero los rayos X pueden expulsar los electrones centrales cerca del núcleo debido a su mayor energía.

La espectroscopía de fotoelectrones de rayos X se lleva a cabo bombardeando una muestra con rayos X en una sola frecuencia y midiendo las energías de los electrones emitidos. La muestra debe colocarse en una cámara de vacío ultra alto para evitar que los fotones y los electrones emitidos sean absorbidos por los gases y para garantizar que no haya gases adsorbidos en la superficie de la muestra. La energía de los electrones emitidos se determina midiendo su dispersión dentro de un campo eléctrico; aquellos con energías más altas serán desviados en menor medida por el campo. Dado que las energías de ionización de los electrones centrales se desplazan a valores ligeramente más altos cuando el elemento en cuestión está en un estado oxidado, este método no solo puede proporcionar información sobre los elementos presentes, sino también sobre sus estados de oxidación. La fotoespectroscopía de rayos X no se puede usar para líquidos debido al requisito de condiciones de vacío y normalmente se usa para análisis de superficie de muestras sólidas.

La espectroscopía de fotoelectrones ultravioleta funciona de manera similar, pero utilizando fotones en el rango ultravioleta del espectro. Estos son producidos más comúnmente por una lámpara de descarga de gas que utiliza uno de los gases nobles, como el helio, para proporcionar fotones de una sola longitud de onda. UPS se utilizó por primera vez para determinar las energías de ionización de las moléculas gaseosas, pero ahora a menudo se emplea para investigar la estructura electrónica de los materiales.