電子能譜學第10講紫外光電子能譜UPS教學課件.ppt

電子能譜學 第10講 紫外光電子能譜（UPS）,朱永法 清華大學化學系 2005.12.5,清華大學化學系材料與表面實驗室,2,內(nèi)容提綱,紫外光電子能譜的發(fā)展 紫外光電子能譜的原理 紫外光電子能譜的裝置 紫外光電子能譜的分析方法 紫外光電子能譜的應用,清華大學化學系材料與表面實驗室,3,前言,光電子能譜學科的發(fā)展一開始就是從兩個方面進行的一方面是Siegbahn等人所創(chuàng)立的X射線光電子能譜，主要用于測量內(nèi)殼層電子結(jié)合能 另一方面是Tunner等人所發(fā)展的紫外光電子能譜，主要用于研究價電子的電離電能 這兩種技術(shù)的原理和儀器基本相同，主要區(qū)別在于，前考采用X射線激發(fā)樣品，后者采用真空紫外線激發(fā)樣品 由于紫外線的能量比較低，因此它只能研究原子和分子的價電子及固體的價帶，不能深入原子的內(nèi)層區(qū)域 但是紫外線的單色性比X射線好得多，因此紫外光電子能譜的分辨率比X射線光電子能譜要高得多 這兩方面獲得的信息既是類似的，也有不同之處因此在分析化學、結(jié)構(gòu)化學和表面研究已經(jīng)材料研究等應用方面，它們是互相補充的,清華大學化學系材料與表面實驗室,4,紫外光電子能譜的原理,最初紫外光電子能譜主要用來研究氣體分子近年來已越來越多地用于研究固體表面這兩種測量的對象雖然不同，測量的條件也略有差異(例如測量固體時要求獲得更高的真空度)。 但測量的基本原理都是基于Einstein光電方程，即EkhvEb所以它與X射線光電子能譜的原理是相同的，但是，由于紫外光只能電離結(jié)合能不大于紫外光子能量的外殼層能級，因此對于氣體分子而言，還必須考慮它被電離后生成的離子的狀態(tài),清華大學化學系材料與表面實驗室,5,紫外光電子能譜的原理,紫外光電子能譜測量與分子軌道能緊密相關(guān)的實驗參數(shù)電離電位(IP或I) 原子或分子的第一電離電位(IP1或I1)通常定義為從最高的填滿軌道能級激發(fā)出一個電子所需的最小能量 第二電離電位定義為從次高的已填滿的中性分子的軌道能級激發(fā)電一個電子所需的能量,清華大學化學系材料與表面實驗室,6,紫外光電子能譜的原理,能量為hv的入射光子從分子中激發(fā)出一個電子以后，留下一個離子，這個離子可以振動、轉(zhuǎn)動或其它激發(fā)態(tài)存在如果激發(fā)出的光電子的動能為E，則EhvIEv一Er I是電離電位Ev是分子離子的振動能，Er是轉(zhuǎn)動能Ev的能量范圍大約是0.05一0.5電子伏，Er的能量更小，至多只有千分之幾電子伏，因此Ev和Er比I小得多但是用目前已有的高分辨紫外光電子譜儀(分辨能力約10一25毫電子伏)，容易觀察到振動精細結(jié)構(gòu),清華大學化學系材料與表面實驗室,7,紫外光電子能譜的原理,共有14個峰； 對應于氫分子離子的各個振動能級； 各個峰之間的距離與理論計算所得的結(jié)果很一致 根據(jù)振動精細結(jié)構(gòu)可以得到氫分子離子的振動頻率 用高分辨的紫外光電子能譜在個別情況下已能顯示出轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu),清華大學化學系材料與表面實驗室,8,紫外光電子能譜的原理,是氫分子離子振動量子數(shù)為3和4的振動能級的峰 在這兩個峰中顯示出轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)； 箭頭所示之處指明某些轉(zhuǎn)動峰的位置，但是目前還不能分辨出單個轉(zhuǎn)動峰,清華大學化學系材料與表面實驗室,9,紫外光電子能譜的原理,在X射線光電子能譜中，氣體分子中原子的內(nèi)層電子能激發(fā)出來以后留下的離子也存在振動和轉(zhuǎn)動激發(fā)態(tài)，但是內(nèi)層電子的結(jié)合能比離子的振動能和轉(zhuǎn)動能要大得多，加之X射線的自然寬度比紫外線也大得多，所以通常它不能分辨出振動精細結(jié)構(gòu)，更無法分辨出轉(zhuǎn)動精細結(jié)構(gòu) 用X射線和電子激發(fā)只有在特殊情況中才能產(chǎn)生可觀察的振動結(jié)構(gòu)，即在自電離和俄歇譜線的情況中(例如CO的)才可觀察到； 因此目前在各種電子能譜法中，只有紫外光電子能譜才是研究振動結(jié)構(gòu)的有效手段,清華大學化學系材料與表面實驗室,10,紫外光電子能譜的原理,從該分子最高已占有的軌道激發(fā)出一個電子以后生成的基態(tài)分子離子是AB（X），從次高軌道激發(fā)出一個電子以后生成的分子離子是AB(A)，AB(B)等它們的相應的電離電位分別是IP1，IP2, IP3 這些離子可以有振動態(tài)p0，pl，p2等 按照FranckCondon原理，電子躍遷的過程是一個非常迅速的過程，躍遷后電子態(tài)雖有改變，但核的運動在這樣短的時間內(nèi)來不及跟上 因此對于雙原子分子來說，從基態(tài)分子躍遷到與基態(tài)分子具有相同核間距離的分子離子振動態(tài)的躍遷幾率最大,清華大學化學系材料與表面實驗室,11,紫外光電子能譜的原理,根據(jù)雙原子分子的非諧振子模型，分子離子的振動能等于 其中v為離子態(tài)的振動量子數(shù)，h為普朗克常數(shù)，X是非諧振常數(shù)，是振動頻率 k是振動的力常數(shù)，u是體系的折合質(zhì)量在這里k是鍵強度的量度,清華大學化學系材料與表面實驗室,12,紫外光電子能譜的原理,假如電離時一非鍵電子被移去，鍵強度只改變一點，所以k和以及振動能級之間的能量間距rc都幾乎維持不變，核間距離也將不受影響 如果移去一個成鍵電子，k和將減少，rc將增加 相反，如果移去一個反鍵電子，k和將增加，rc將減少 當電子被激發(fā)到較高的分子能級上而沒有移去，這時也將發(fā)生類似的效應,清華大學化學系材料與表面實驗室,13,紫外光電子能譜的原理,(X)(X)電離躍遷對應于一個非鍵電子被移去，(X)態(tài)的振動頻率基本上相同于(X)態(tài)的頻率 (A)(A)電離躍遷對應于一個成鍵電子被移去，rc增加，減少。 (B)(X)電離躍遷對應于一個反鍵電子被移去，rc減少，增加 既然FranckCondon因數(shù)值取決于rc，所以它也將是被移走的電子的成鍵類型的表征 非鍵電子的移去導致v0能級的躍遷，而成鍵或反鍵電子的移去將導致較高v能級的躍遷，所以最大的FranckCondon因數(shù)可以不是v=0的躍遷 上述討論可以擴大到多原于體系，當然這時的情形要復雜得多,清華大學化學系材料與表面實驗室,14,紫外光電子能譜的原理,根據(jù)FranckCondon原理，生成的離子的核間距離與中性分子相等的幾率最大，離子X，A和B對應的振動態(tài)分別是v0，v5和v=3 其它的躍遷雖有可能，但幾率較小 可能的躍遷有兩種電離電位 (1)絕熱電離電位它對應于分子基態(tài)到離子基態(tài)的躍遷，v0 (2)垂直電離電位躍遷后離子核間距離與中性分子的核間距離相同v0 由FranckCondon原理可知它具有最大的躍遷優(yōu)勢。,清華大學化學系材料與表面實驗室,15,與第一電離電位相關(guān)聯(lián)，則稱為“第一譜帶“，在譜圖上它出現(xiàn)于高動能端譜帶與第二電離電位相關(guān)聯(lián)，則稱為“第二譜帶” 第一譜帶I1包含幾個峰，這些峰對應于振動基態(tài)的分子到不同振動能級的離子的躍遷 離子的振動頻率 ，分子對應的振動頻率 0；若成鍵電子被發(fā)射出來則0。 若發(fā)射的是反鍵電子，則0,紫外光電子能譜的原理,清華大學化學系材料與表面實驗室,16,紫外光電子能譜的原理,非鍵或弱鍵電子峰的化學位移 在X射線光電子能譜中，當原子的化學環(huán)境改變時一般都可以觀察到內(nèi)層電子峰的化學位移； 紫外光電子能譜主要涉及分子的價層電子能級，成鍵軌道上的電子往往屬于整個分子，它們的譜峰很寬，在實驗上測量化學位移很困難 但是，對于非鍵或弱鍵軌道中電離出來的電子，它們的譜峰很窄，其位置常常與元素的化學環(huán)境有關(guān)，這是由于分子軌道在該元素周圍被局部定域,清華大學化學系材料與表面實驗室,17,紫外光電子能譜的原理,可以被He1(21.22eV)光子電離的非鍵或弱鍵軌道有被氟、氯、溴和碘取代的化合物中鹵索的2p，3p，4p和5p軌道，氧未共享電子對，某些類型的軌道以及氮未共享電子對等 這些電子產(chǎn)生化學位移的機理與內(nèi)層電子有些類似，但是，對于這些位移進行理論計算則比內(nèi)層電子的計算要復雜得多,清華大學化學系材料與表面實驗室,18,紫外光電子能譜的解釋,氣態(tài)分子的紫外光譜主要和分子軌道的電離能有關(guān)以及與分子軌道的振動狀態(tài)有關(guān)； 研究固體表面時，得到的光電子能量分布雖然并不直接代表狀態(tài)密度，但通過簡化的模型進行一定的計算，可以解釋光電子能量分布與狀態(tài)密度之間的關(guān)系 首先討論氣態(tài)分子的紫外光電子譜的解釋因軌道復雜，化合物種類繁多，所以譜圖的解釋要比X射線光電于能譜困難得多,清華大學化學系材料與表面實驗室,19,紫外光電子能譜的解釋,譜帶的位置、形狀和相對強度包含了各種信息； 如何使它們與被測化合物的成鍵特征、結(jié)構(gòu)等相關(guān)聯(lián)是關(guān)鍵問題 解釋紫外光電子譜的嚴格的方法是基于分子軌道理論，這些理論涉及到復雜的量子化學計算 譜的解釋也可采用簡化的方法，它通常是在研究一系列已知化合構(gòu)的基礎(chǔ)上對譜圖進行某種概括,清華大學化學系材料與表面實驗室,20,嚴格的方法,采用量子化學的方法計算分子的幾何構(gòu)型和電荷分布 在計算時通常假定Koompmans理論有效，即光電子的發(fā)射不伴有其它電子的調(diào)整在這種條件下，實驗中測得的分子的電離電位就等于分子軌道能量的負值 分子軌道理論有多種計算方法：忽略某些多中心積分的近似的自治場分子軌道法(如CNDO，MINDO法等)；推廣的Huckel法和從頭計算自洽場分子軌道法 推廣的Huckel法可以提供與譜比較一致的結(jié)果從頭計算法的結(jié)果可靠，但計算工作量很大，所以主要針對一些簡單分子近似的自洽分子軌道法的計算比較簡單(如CNDO)，但所得的結(jié)果與譜的符合程度差一些,清華大學化學系材料與表面實驗室,21,簡化的方法,采用簡化的方法通常作下列假定： （1）認為某些分子軌道定域在分子中的一個原子或原子團上例如，在HCl中可以認為譜中的一個峰是由氯3p孤對電子軌道的電離作用產(chǎn)生的 (2)在原子團RX中，若X有一個孤對電子軌道，該軌道的電離電位將隨著R變得更大電負性而增加，反之亦然 (3)對稱性相同和能量接近的定域軌道可以相互作用形成兩個新的分子軌道 (4)峰強度近似地正比于軌道簡并度等,清華大學化學系材料與表面實驗室,22,簡化的方法,基于這些假定人們可以推測譜圖中譜帶的數(shù)目，推測特定原子、雙鍵和原子團的存在，使用的方法和紅外光譜的解釋有些類似 具體的步驟是：(I)根據(jù)譜帶的位置和形狀識別譜中的峰(2)推測電子接受或授與原子或原子團的影響(3)找出軌道的相互作用(劈裂) 根據(jù)(1)一(3)并考慮峰強度和峰的重疊等因素，對譜圖作出解釋,清華大學化學系材料與表面實驗室,23,譜帶的形狀往往反映了分子軌道的鍵合性質(zhì) 譜圖中大致有六種典型的譜帶形狀，見圖54,清華大學化學系材料與表面實驗室,24,譜帶的形狀和位置,如光電子來自非鍵或弱鍵軌道，分子離子的核間距離與中性分子的幾乎相同，絕熱電離電位和垂直電離電位一致，這時譜圖上出現(xiàn)一個尖銳的對稱的峰在峰的低動能端還會存在一個或兩個小峰。它們對應于v1，v=2等可能的躍遷，見I； 若光電子從成鍵或反鍵軌道發(fā)射出來，絕熱電離電位和垂直電離電位不一致，垂直電離電位具有最大的躍遷幾率，因此譜帶中相應的峰最強，其它的峰較弱，見圖54中的II和III 從非常強的成鍵或反鍵軌道發(fā)生的電離作用往往呈現(xiàn)缺乏精細結(jié)構(gòu)的寬譜帶，見圖5 .4中IV 缺乏精細結(jié)構(gòu)的原因是振動峰的能量間距過??；振動能級的自然寬度太大或發(fā)生了離子的離解等，導致了振動峰的加寬有時振動精細結(jié)構(gòu)疊加在離子離解造成的連續(xù)譜上，形成圖54中的譜帶V 若分子被電離以后生成的離子的振動類型不止一種，譜帶呈現(xiàn)一種復雜的組合帶，見譜帶VI,清華大學化學系材料與表面實驗室,25,譜帶的位置代表譜帶的能量，所以也代表分子軌道的電離電位 圖5。5是某些軌道的電離電位范圍 這種圖可以幫助我們預測較復雜的分子軌道電離電位和解釋譜圖中的峰所對應的軌道性質(zhì),清華大學化學系材料與表面實驗室,26,電子接受或授與效應,軌道電離電位與軌道環(huán)境有關(guān)，必須考慮電子接受或授與原子或原子團的影響考慮這種影響可以采用幾種方法 Pauling電負性考慮是比較簡單的一種 非鍵電子通常高度定域在分子中的特定原子上，其能量很大程度上取決于該原于的電負性根據(jù)元素電負性的不同，監(jiān)視特定譜帶的電離電位隨各種取代基而變化，有可能推測譜帶的性質(zhì)和起源 如果分子中一原子被電負性更高的原子取代，則將引起與該原子及其鄰近的原子有關(guān)的分子軌道的電離電位增加 如果一原于被另一電負性較低的原子取代，則情況相反 在一系列分子WX，WY，WZ中，電負性相關(guān)可用來預測與x，Y，z原于有關(guān)的軌道電離電位,清華大學化學系材料與表面實驗室,27,在一系列R一鹵素分子中，如果R不變，則鹵素未共享電子對的電離電位隨著鹵素原子的電負性增加而增加 誘導效應對電離電位的影響可用一系列烯烴的例子來說明 在一系列烯烴CH2CH2，CH3CHCH2，C2H5CHCH2， C3H7-CHCH2分子中，由于烷基具有正的誘導效應，所以在這些烯烴中。軌道的電離電位逐漸減小實際的數(shù)值分別是1051，974，9。61和951電子伏,清華大學化學系材料與表面實驗室,28,中介效應,另一種和誘導致應相反的效應是所謂中介效應 例如在溴乙烯分子中溴的孤對電子的電荷向CC鍵移動。 這種效應使溴乙烯的軌道的電離電位降低，例如它比乙烯的要低 因此在這里鹵素原子中介效應的方向和鹵素原子誘導效應的方向是相反的 電離電位的變化反映了這兩種相反的效應的作用并達到平衡時的情況在解釋紫外光電子能譜時，這種效應也是應當考慮到的,清華大學化學系材料與表面實驗室,29,全氟代效應,氟原子的電負性最高，其誘導效應貫穿整個分子當氟原子取代分子中的氫原子后，對電子和電子具有不同的影響 全氟代作用對分子軌道的穩(wěn)定化效果要比對分子軌道的大 在非芳香平面分子中，全氟代作用使電離電位增加00.5電子伏，而電離電位可以增加2.5一4電子伏 通過比較取代前后化合物的紫外光電子譜，就有可能鑒別和軌道的電離作用 全氟代效應不僅可應用于平面非芳香族分子，而且也應用于平面芳香族分子不過后者產(chǎn)生的電離電位移動通常比前者大，所以后者的電離電位差比前者小 全氟代效應對解釋分子內(nèi)軌道的能量和孤對電子軌道的能量接近的化合物的譜圖特別有用 但是，非平面分子就不存在這種電離電位差，此時氟代作用使所有分子軌道的電離電位增加,清華大學化學系材料與表面實驗室,30,軌道的相互作用,分于內(nèi)孤對電子軌道的電離作用在UPS上呈現(xiàn)尖銳的譜帶 孤對電子之間的相互作用可以在紫外光電子譜中觀察到 假如兩個孤對電子軌道足夠靠近，并具有相同的對稱性和差不多的能量，則它們可以相互作用，形成兩個新的分子軌道 在這兩個新的分子軌道中，有一個的能量比原來兩個孤對電子軌道中能量低的軌道還要低，另一個比兩個孤對電子軌道中能量高的軌道還要高這兩個新的分子軌道的電離作用也將在紫外光電子譜中得到反映,清華大學化學系材料與表面實驗室,31,在乙硫醇的譜圖中，位于95電子伏附近的尖銳的峰是由于硫的非鍵3p軌道電離造成的 在乙二硫醇中該譜帶顯然已經(jīng)分裂，它表明了兩個硫3p軌道發(fā)生了相互作用 根據(jù)這種相互作用并根據(jù)硫和烷基的譜峰的相對面積，人們不難區(qū)別這兩種硫醇,清華大學化學系材料與表面實驗室,32,有機分子的最高占有的分子軌道常常是軌道。因此在譜圖中第一個譜帶(大約9電子伏)通常來自軌道的電離作用這種譜帶通常比較寬，并帶有振動精細結(jié)構(gòu) 假如分子中非鍵p軌道在空間上定向使它和軌道有相同的對稱性，并且軌道和p軌道足夠接近并有差不多的能量，則它們之間的相互作用也將會發(fā)生。這種相互作用也是造成前面所說的中介效應的原因,清華大學化學系材料與表面實驗室,33,在溴乙烯分子中，溴4p軌道的能量與CH2CH基中的 CC軌道的能量差不多 其中有一個4p軌道也具有相同的對稱性，因此它能與 cc軌道結(jié)合，生成兩個溴乙烯分子軌道。 另一個獨對軌道具有不同的對稱性，它保持非鍵合性質(zhì)，因此在譜圖上仍出現(xiàn)尖銳的峰,清華大學化學系材料與表面實驗室,34,峰的強度近似地正比于軌道的簡并度 所謂角分布就是指改變激發(fā)光束與接收的光電子之間的角度，測量不同角度時的光電子能譜觀察不同角度測得的光電子能譜的差別，能幫助識別分子軌道性質(zhì)或解開重疊的分子軌道 采用譜的指紋來進行鑒定是一種簡便的方法用這種方法時事先巳記錄了大量已知化合物的譜圖，然后把未知化合物的譜圖與已知化合物的譜圖進行比較，從而鑒定未知化合物這種方法并不對譜圖進行嚴格的解釋，但容易掌握，在對化合物作定性分析時可以來用,清華大學化學系材料與表面實驗室,35,儀器設(shè)備,紫外光電子能譜和x射線光電子能譜都是分析光電子的能量分布，因此它們的儀器設(shè)備是類似的，主要的區(qū)別在于前者的激發(fā)源是真空紫外線，后者是x射線； 多數(shù)儀器上都是兩種光源齊備 因為除激發(fā)源外儀器的其它部件與x射線光電子譜儀相同，所以本節(jié)重點介紹紫外光源，,清華大學化學系材料與表面實驗室,36,清華大學化學系材料與表面實驗室,37,激發(fā)光源,激發(fā)源是用惰性氣體放電燈，這種燈產(chǎn)生的輻射線幾乎是單色的，不需再經(jīng)單色化就可用于光電子譜儀 最常用的好是氦共振燈這種燈不是封閉的，燈和樣品氣體的電離室部位采用差分抽氣 用針閥調(diào)節(jié)燈內(nèi)純氦壓力，當壓力大約在0.11托時用直流放電或微波放電使惰性氣體電離這時燈內(nèi)產(chǎn)生帶特征性的桃色的等離子體，它發(fā)射出氦I共振線該線光子能量為2122電子伏。 氦I線的單色性好(自然寬度約0.005電子伏)，強度高，連續(xù)本底低，它是目前用得最多的激發(fā)源,清華大學化學系材料與表面實驗室,38,純氦在上面的毛細管中放電，輻射光子通過下面的毛細管進入樣品氣體電離室 兩根分開的毛細管在一直線上為了防止光源氣體進入靶室，氦氣從上面的毛細管中出來時就被抽走,清華大學化學系材料與表面實驗室,39,氦I線有很多優(yōu)點，但能量較低它不能激發(fā)能量大于21電子伏的分子軌道電子 有一種方法是改變氦燈的放電條件，例如采用較高的電壓和降低氦氣的壓力這時除氦I線外還產(chǎn)生氦II共振線(408電子伏) 如果用這種源激發(fā)樣品，記錄到的光電子譜圖中就有樣品分子與584埃及304埃兩種光子相互作用所產(chǎn)生的譜帶 采用同步加速器的同步輻射，它可提供波長范圍600一40埃之間的高強度同步輻射經(jīng)過單色化后用來激發(fā)樣品同步輻射的使用填補了能量較低的紫外線與能量較高的軟X射線之間的空隙,清華大學化學系材料與表面實驗室,40,清華大學化學系材料與表面實驗室,41,實驗技術(shù),樣品的制備和引入 對于氣態(tài)樣品，可以控制一定的流量直接引入電離室，在電離室內(nèi)樣品氣體的壓力保持在101一102托 由于樣品氣體進入電離室以后能通過狹縫緩慢地漏進分析器室并被真空泵抽走，因此為了在電離室維持一定的壓力，在記錄譜圖的過程中應該不斷地輸進樣品氣體，并調(diào)節(jié)入口閥門使樣品氣體的壓力保持穩(wěn)定 對于可揮發(fā)的液體樣品和固體樣品，只要它們的蒸汽在電離室中能維持101一102托的壓力，用同樣的方法可以分析,清華大學化學系材料與表面實驗室,42,對于不揮發(fā)樣品，可以把它們引入電離室中的樣品托上加熱，例如加熱至低于這種樣品的熔點50度來使之揮發(fā)，用這種方法通?？梢垣@得適當?shù)恼羝麎?在研究固體表面時，可以把固體樣品置于樣品室內(nèi)，并使之蒸鍍在樣品托上(例如用電子束加熱蒸發(fā))。 有的譜儀中樣品托和電子槍蒸發(fā)器安裝在同一法蘭盤上，該法蘭可以拆卸，以便更換樣品材料樣品托可以在樣品室中作直線運動和轉(zhuǎn)動，在蒸鍍時面對電子槍蒸發(fā)源，測量時面向紫外光激發(fā)源 直接固定在樣品臺上；,清華大學化學系材料與表面實驗室,43,譜的校正,對氣態(tài)樣品，最常用的校正方法是引入微量惰性氣體 惰性氣體氬、氪和氙的氦I激發(fā)的光電子譜特別簡單，因為這些氣體的原于僅有一個軌道發(fā)生電離作用 惰性氣體或它們的混合氣體(如氬和氙混合氣體)可以用作標準校正譜線； 其它可用的標準有大氣中的氯和氧，有許多尖銳的峰 對于電離能量比較低的化合物，碘代甲烷也可用作標準，因為它的第一譜帶是很明確的自旋軌道雙線，電離電位分別是9.55和1016電子伏 若要在相當大的能量范圍對譜進行校正，則二硫化碳可以考慮作為標準，它的譜圖中有幾個尖銳的峰，電離能量分別對應于10.068，10.122，12.838，14.478和16.196電子伏,清華大學化學系材料與表面實驗室,44,清華大學化學系材料與表面實驗室,45,測量固體樣品時一般不采用加入標準校正的方法，因為固體的價帶分不開，樣品和標準的譜圖互相重疊，而且標準的加入可以移動Femi能級 由于通常的譜儀上x射線和紫外光源齊備，所以可以根據(jù)x射線光電子譜的校正，從內(nèi)層能級延伸到外層能級，對紫外光電子譜進行校正。,清華大學化學系材料與表面實驗室,46,紫外光電子能道的應用,紫外光電于能譜通過測量價層光電子的能量分布，得到各種信息 它最初主要用來測量氣態(tài)分子的電離研究分子軌道的鍵合性質(zhì)以及定性鑒定化合物種類 近年來，它的應用已擴大到固體表面研究,清華大學化學系材料與表面實驗室,47,測量電離電位 用紫外光電子能譜可測量低于激發(fā)光子能量的電離電位，和其它方法比較它的測量結(jié)果是比較精確的 紫外光子的能量減去光電子的動能便得到被測物質(zhì)的電離電位 對于氣態(tài)樣品來說，測得的電離電位相應于分子軌道的能量分子軌道的能量的大小和順序?qū)τ诮忉尫肿咏Y(jié)構(gòu)、研究化學反應是重要的 在量子化學方面，紫外光電子能譜對于分子軌道能量的測量已經(jīng)成為各種分子軌道理論計算的有力的驗證依據(jù),清華大學化學系材料與表面實驗室,48,研究化學鍵 研究譜圖中各種譜帶的形狀可以得到有關(guān)分子軌道成鍵性質(zhì)的某些信息 例如前面已提到，出現(xiàn)尖銳的電子峰能表明有非鍵電子存在，帶有振動精細結(jié)構(gòu)的比較寬的峰可能表明有鍵存在等,清華大學化學系材料與表面實驗室,49,位于1558電子伏的g能級和位于1876電子伏的u能級是非鍵的，u能級是成鍵的 經(jīng)典的概念認為，1558電子伏的g (2P)能級是成強健的，這種看法是不正確的,清華大學化學系材料與表面實驗室,50,CO分子中有10個價電子，和氮分子有等電子結(jié)構(gòu)，因此它的紫外光電子譜和氮分子的很相似 譜圖中的第一譜帶很尖銳，說明g (2P)軌道比氮有更少的成鍵性質(zhì)，而u (2S)軌道雖然理論上是反鍵的，它卻稍微呈現(xiàn)某種成鍵性質(zhì)2P軌道成強鍵，它的譜帶清楚地顯示出振動精細結(jié)構(gòu) CO分子的三個譜帶的電離電位分別是14.01，16.53和19.68電子伏,清華大學化學系材料與表面實驗室,51,通過測量不同溫度下分子內(nèi)成氫鍵的化合物（胺和碘代醇)及其不成氫鍵的同類物，觀察到在成氫鍵的化合物中電子給予體(即氮或碘)的電離電位隨溫度增加而減少 電離電位明顯大于不成氫鍵的同類化合物，這種差別是由于形成氫鍵使與氫鍵有關(guān)的獨對軌道趨向穩(wěn)定溫度增加時氮或碘的電離電位減少，這是氫鍵破裂的一種證明 這些測量與經(jīng)典的氫鍵模型是符合的 在2氨基乙醇中，它的分子結(jié)構(gòu)是：,清華大學化學系材料與表面實驗室,52,測定分子結(jié)構(gòu),通常紫外光電子能譜并不用于測定分子幾何構(gòu)型，但有時它也能提供這方面的信息 由于共厄作用，丁二烯的兩個占有的軌道相互作用生成兩個新的軌道即1和2，它們都是去定域化軌道，其中一個能量較高，一個能量較低 如果分子在C2C3鍵處扭轉(zhuǎn)，則C2(p)和C3(p)之間的共扼逐漸減少，直到兩個乙烯基的平面之間的夾角達到90。為止 此時C2(p)和C3(p)不能相互作用，1和2的本征值彼此接近 因此當兩個乙烯基平面之間的夾角接近90。時，在非平面丁二烯分子中1和2之間的能量間隔將會消失 這種現(xiàn)象已經(jīng)用丁二烯的氟代衍生物得到證明,清華大學化學系材料與表面實驗室,53,定性分析,與紅外光譜相似，紫外光電子能譜也具有分子“指紋“性質(zhì)重要的是，它所提供的信息不同于其它技術(shù)，并與其它技術(shù)互相補充 當獲得更多的解釋譜圖的經(jīng)驗以后，將會證明這種技術(shù)在鑒定反應產(chǎn)物，指出取代作用和配位作用的程度和性質(zhì)以及預測分子內(nèi)的活性中心等方面將是很有用的 順式和反式1，3二氯丙烯是同分異構(gòu)體 它們的化學結(jié)構(gòu)式是,清華大學化學系材料與表面實驗室,54,位于10eV左右的譜帶是1，3二氯丙烯的軌道電離作用所致 位于112eV的尖銳的峰對應于非鍵軌道電子定域于一CH2Cl基因的氯原子附近 位于118和131eV的兩個譜帶大抵上來自“Cl3p”軌道，氯取代基的3P軌道有一個與烯烴的軌道共平面，一個不共平面前者與軌道有較多的重疊，形成131eV的寬譜帶后者基本上保留非鍵性質(zhì)，形成118eV的尖降 在1419eV區(qū)域的譜帶很不相同，稱為“指紋區(qū)” 它被用來區(qū)別同分異構(gòu)體,清華大學化學系材料與表面實驗室,55,定量分析,當用X射線做激發(fā)源時，譜中峰的相對強度通常正比于分子中原子的相對數(shù)目 但是用紫外光激發(fā)時，雖然峰的相對強度也與原子的相對數(shù)目有關(guān)，但有許多因素影響譜線強度，所以，一般說來，進行元素定量分析是比較困難的 在使用校正曲線以后，存在氣體混合物定量測定的可能性,清華大學化學系材料與表面實驗室,56,清華大學化學系材料與表面實驗室,57,固體表面吸附作用,紫外光電子能譜的應用已迅速地擴大到固體表面研究，例如研究表面吸附和表面能態(tài)等，并日益成為這些研究領(lǐng)域中的重要工具 在研究表面吸附時，除要了解吸附物質(zhì)的性質(zhì)以外，還希望了解吸附物質(zhì)與表面是否發(fā)生相互作用以及相互作用的程度； 例如了解是屬于化學吸附還是物理吸附紫外光電子能譜有可能回答這一問題,清華大學化學系材料與表面實驗室,58,用紫外光電子能譜研究表面吸附時，必須把吸附分子的譜與自由分子的譜加以比較，但這種比較并不容易 主要困難是它們的參考能級和弛豫能量不一樣氣體分子的價電子能級的電離電位是用自由電子能級作參考的，而對于吸附態(tài)則是用Femi能級作參考的吸附分子的電離電位應加上一個合理的功函數(shù)值才可與自由分于相比較 對于金屬來說，使用功函數(shù)只是一種近似，因為吸附物質(zhì)的存在能改變它的數(shù)值此外還要考慮不同弛豫能量的影響不同相中終態(tài)弛豫效應的差異能造成它們的結(jié)合能測量值的不同位移。弛豫能量也常常是不明確的,清華大學化學系材料與表面實驗室,59,HeI和HeII線激發(fā)的清潔的鉑片和吸附有CO的鉑片的紫外光電子能譜 CO吸附層大約是