Energia di Ionizzazione

energia di Ionizzazione, noto anche come energia di legame dell’elettrone, determinato mediante spettroscopia fotoelettronica fornisce alcune delle più dettagliate informazioni quantitative sulla struttura elettronica di molecole organiche e inorganiche. La ionizzazione è definita dalle transizioni dallo stato fondamentale di una molecola neutra agli stati ionici (equazione 2). Esistono due tipi di energia di ionizzazione: energia di ionizzazione adiabatica e verticale. L’energia di ionizzazione adiabatica di una molecola è definita come la quantità minima di energia necessaria per espellere un elettrone dalla molecola neutra. Inoltre, può essere indicato come la differenza tra l’energia dello stato fondamentale vibrazionale della molecola neutra e lo ion positivo. Il secondo tipo: l’energia di ionizzazione verticale rappresenta eventuali transizioni aggiuntive tra il terreno e lo stato vibrazionale eccitato della molecola neutra. L’energia di ionizzazione verticale è la transizione più probabile. Il principio di Frank-Condon spiega l’intensità relativa delle bande vibrazionali per le transizioni di fotoionizzazione.

Teorema di Koopman, che afferma che il negativo dell’autovalore di un orbitale occupato da un calcolo di Hartree-Fock è uguale all’energia di ionizzazione verticale dello stato ionico formato dalla fotoionizzazione della molecola. A causa del teorema di Kooperman, le energie di ionizzazione sono mostrate direttamente correlate alle energie degli orbitali molecolari; tuttavia, ci sono limitazioni al teorema di Koopman.

Durante il processo di fotoionizzazione, l’espulsione di un elettrone comporterà la formazione di uno ion positivo (M+). L’energia necessaria per causare l’espulsione di un elettrone è nota come energia di ionizzazione o energia di legame elettronico. Nel complesso, l’energia di ionizzazione dipenderà dalla posizione degli elettroni in preferenza al nucleo della molecola. Poiché gli elettroni sono disposti in orbitali che circondano il nucleo atomico, l’energia di ionizzazione sarà più alta o più bassa a seconda che gli elettroni si trovino nel nucleo o nel guscio di valenza. Ovviamente, gli elettroni del nucleo, che sono più vicini al nucleo, richiederanno più energia per essere espulsi. Inoltre, ogni elemento chimico ha un diverso numero di protoni nel nucleo, risultando in un insieme unico di energie di ionizzazione per ogni elemento. Utilizzando la spettroscopia fotoelettronica, l’energia di ionizzazione viene determinata sottraendo l’energia del fotone in entrata dall’energia cinetica misurata dell’elettrone espulso. Pertanto, è possibile utilizzare PES per determinare gli elementi chimici all’interno di un campione sconosciuto in base alle energie di ionizzazione osservate in uno spettro PE.

La posizione dell’elettrone espulso sarà fattore notevolmente in quale tipo di spettroscopia fotoelettronica viene utilizzato. La spettroscopia a fotoelettroni a raggi X (XPS) viene utilizzata per espellere elettroni dal nucleo o dal guscio di valenza. Il campione utilizzato in XPS sarà prima collocato in una camera a vuoto ultra-alto per evitare che i fotoni e gli elettroni emessi vengano assorbiti dai gas. Quindi il campione verrà bombardato con raggi X, causando l’espulsione di elettroni. Le energie degli elettroni espulsi saranno misurate dalla loro dispersione all’interno di un campo elettrico. A causa dell’ambiente sottovuoto del campione, XPS non può essere utilizzato per liquidi. Inoltre, XPS fornirà informazioni sugli stati di ossidazione per tutti gli elementi presenti nel campione, poiché le energie di ionizzazione degli elettroni del nucleo sono leggermente più alte quando è presente uno stato di ossidazione.

UPS funziona in modo simile a XPS, ma utilizza fotoni, prodotti da una lampada a scarica di gas nobile, nella gamma ultravioletta dello spettro. Originariamente, UPS è stato utilizzato solo per determinare le energie di ionizzazione delle molecole gassose; tuttavia, nel corso degli anni viene anche attribuita l’informazione alla struttura elettronica delle molecole.