FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 FOTOELEKTRONISPEKTRIN

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2
FOTOELEKTRONISPEKTRIN MITTAUS
MIKKO LAINE
9. kesäkuuta 2015
1. Johdanto
Tässä työssä mittaamme argonin 3p fotoionisaatiospektrin ja selvitämme sen
kahden piikin kineettiset energiat, intensiteetit ja puoliarvoleveydet. Selvitettyjen
kineettisten energioiden avulla laskemme spin-ratavuorovaikutusenergian ja elektronien sidosenergiat. Lopuksi vertaamme tuloksiamme kirjallisuuden arvoihin ja
teoreettisen mallin ennusteisiin.
1.1. Valosähköinen ilmiö. Valosähköisessä ilmiössä fotonit ionisoivat atomeja;
sähkömagneettisen säteilyn vaikutuksesta materiaalista irtoaa elektroneja. Ilmiö
vaatii fotonilta vähintään elektronin sidosenergiaa vastaavan energian. Elektronin sidosenergian ylittävä osuus fotonin energiasta siirtyy elektronin kineettiseksi
energiaksi. Näin ollen
(1)
Eγ = hν = Eb + Ek ,
missä fotonin energia Eγ on säteilyn taajuuden ν ja Planckin vakion h tulo. Elektronin sidosenergiaa on merkitty symbolilla Eb ja elektronin kineettistä energiaa
symbolilla Ek .
1.2. Mittauslaitteisto. Mittauslaitteistoon kuuluu herättävän säteilyn lähde, näytealue, kaasunsyöttöjärjestelmä ja elektrorianalysaattori.
1.2.1. Herättävä säteily. Herättävää sähkömagneettista säteilyä voidaan synnyttää
kaasupurkauslampun, röntgenputken tai synktronin avulla.
Kaasupurkauslampussa kaasun atomeihin törmäytetään hehkulangasta ionisoituja
elektroneja, jolloin atomit virittyvät. Kaasun atomien viritystilojen purkautuessa
vapautuva energia näkyy sähkömagneettisena säteilynä, jonka taajuus on suoraan
verrannollinen purkauksessa vapautuvaan energiaan.
1.2.2. Elektronianalysaattori. Elektronianalysaattorin avulla tutkitaan valosähköisessä ilmiössä syntyviä elektroneja. Sen kolme pääkomponenttia ovat elektronilinssi,
analysaattori ja detektori.
Elektronilinssi erottaa näytealueen ja analysaattorin toisistaan. Sen tehtävänä
on fokusoida näytteestä irtoavat elektronit sisääntulorakoon ja antaa niille haluttu
energia, läpäisyenergia.
Analysaattori on komponentti, joka muodostuu kahdesta samankeskisestä puolipallonmuotoisesta elektrodista. Elektrodien välille synnytetään sähkökenttä, jolloin
analysaattorille tuleva elektroni kokee Lorentz-voiman, minkä suuruus on verrannollinen elektronin nopeuteen ja näin ollen sen kineettisen energian neliöjuureen.
Analysaattorin avulla elektronit saadaan siis lentoradoille, joiden muoto riippuu
elektronien energiasta.
Analysaattorin läpi kulkevat elektronit ohjataan detektorille, joka rekisteröi elektronien osumakohdat. Detektorilla kerätty data voidaan edelleen käsitellä tietokoneen
avulla.
1
2
MIKKO LAINE
Taulukko 1. Työssä käytettävät
koejärjestelyt.
Koe
Iteraatiot
#
Ep
[eV]
d
[mm]
1
2
3
5
6
1
2
1
1
1
20
20
20
10
10
1.5
1.5
0.8
0.8
1.5
Huom.
Ep on läpäisyenergia ja d on
sisääntuloraon leveys. Koe 4
epäonnistui.
1.3. Argonkaasu. Argonilla on alikuoret 3p1/2 ja 3p3/2 , joita molempia vastaa yksi
spektrissä havaittava piikki. Piikkien intensiteettisuhde saadaan alikuorilla olevien
elektronien lukumäärien perusteella; piikin 3p1/2 intensiteetin suhde piikin 3p3/2
intensiteettiin on 1/2 – alikuorella 3p1/2 on kaksi elektronia ja alikuorella 3p3/2 on
neljä elektronia.
1.4. Gaussin funktio. Spektripiikkiin voidaan sovittaa Gaussin funktio,
(x − b)2
,
2c2
missä a, b, c ∈ R ovat sovitettavia parametrejä; a on piikin maksimikorkeus, b
maksimikorkeuden sijainti ja c määrää piikin leveyden.
Piikin intensiteetti vastaa piikin pinta-alaa
Z ∞
√
(3)
A=
f (x) dx = 2π ac
(2)
f (x) = a exp −
−∞
ja piikin puoliarvoleveys on
(4)
FWHM =
√
8 ln 2 c.
2. Menetelmät
Ennen näytekaasun, tässä työssä argonin, syöttöä näytealueelle, laitteistoon pumpataan mahdollisimman hyvä tyhjiö pyrkimyksenä minimoida muiden kaasujen
osuus näytteessä. Herättävän säteilyn lähteenä käytetään kaasupurkauslamppua.
Kaasupurkauslampun kaasuna toimii helium ja siitä saatava säteily on korkeataajuista UV-säteilyä – pääasiassa He Iα -säteilyä, jonka energia on 21.2 eV. Säteilyn
energia riittää ionisoimaan argonin uloimman kuoren, 3p, elektroneja.
Kaasupurkauslamppu vaatii vesijäähdytyksen, joka käynnistetään lampun sytytyksen yhteydessä, heti kun näytekaasu on saatu näytealueelle. Kun kaasupurkauslamppu on toiminnassa, sen tuottama säteily päästetään itse näytealueelle.
Työssä käytettävä detektori koostuu useasta mikrokanavalevystä ja paikkaherkästä resistiivisestä anodista. Mikrokanavalevyt monistavat detektorille tulevat elektronit vahvistaen niiden aiheuttamaa signaalia. Neliönmuotoinen anodi on vastuussa
elektronien osumakohtien määrityksestä.
Suoritettujen mittausten jälkeen, kun on kokeiltu erilaisia koejärjestelyjä, laitteet
sammutetaan päinvastaisessa järjestyksessä kuin on yllä esitetty.
Työssä käytetään taulukon 1 mukaisia koejärjestelyjä. Kokeen 2 tuloksena saatavan spektrin piikkeihin sovitetaan yhtälön 2 funktio. Puoliarvoleveydet ja piikkien
intensiteetit selvitetään yhtälöiden 3 ja 4 avulla.
FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2
FOTOELEKTRONISPEKTRIN MITTAUS
Koe
Koe
Koe
Koe
Osumien lkm.
30
3
1
3
5
6
20
10
0
4
6
8
Ek [eV]
Kuva 1. Kokeiden 1, 3, 5 ja 6 spektrit.
100
Osumien lkm.
Koe 2
Sovitus (3p1/2 )
Sovitus (3p3/2 )
50
0
4
6
8
Ek [eV]
Kuva 2. Kokeen 2 spektri ja sen piikkeihin tehdyt sovitukset.
3. Tulokset
Kokeiden 1, 3, 5 ja 6 spektrit on esitetty kuvassa 1. Kokeen 2 spektri ja sen
piikkeihin tehdyt sovitukset on esitetty kuvassa 2.
Kuvan 1 ja taulukon 1 perusteella pienemmällä sisääntuloraon arvolla d piikin
leveys saadaan pienemmäksi, mutta samalla S/N laskee. Läpäisyenergian Ep muutos
4
MIKKO LAINE
Taulukko 2. Kokeen 2 spektrin piikkeihin
tehtyjen sovituksien tulokset.
Piikki
3p1/2
3p3/2
a
b
c
36.269 5.746 0.042
77.279 5.929 0.034
FWHM
A
0.100
0.079
3.854
6.527
vaikuttaa osumien lukumääriin ja se muuttaa myös piikkien sijaintia energia-akselilla
mittauslaitteiston ominaisuuksista johtuen.
Kokeessa 2, kuva 2, iteraatioiden lukumäärä oli muista kokeista poiketen kaksi,
jolloin saatiin suurempi S/N. Sovituksessa käytettyyn yhtälöön 2 lisättiin visuaalisesti määritetty vakiotermi 10 taustan johdosta. Sovituksien tulokset on esitetty
taulukossa 2.
Taulukon 2 perusteella piikin 3p1/2 kineettinen energia Ek = b = 5.746 eV ja
piikin 3p3/2 kineettinen energia Ek = 5.929 eV. Näin ollen spin-ratavuorovaikutuksen
energia on (5.929 − 5.746) eV = 0.183 eV.
Piikkien intensiteettien suhde saadaan pinta-alojen A suhteena, jolloin suhteen
arvoksi tulee 3.854/6.527 ≈ 0.59.
Elektronien sidosenergiat Eb saadaan yhtälön 1 avulla. Piikin 3p1/2 elektroneille
Eb = Eγ − Ek = (21.2 − 5.746) eV = 15.454 eV. Piikin 3p3/2 elektroneille Eb =
(21.2 − 5.929) eV = 15.271 eV.
4. Keskustelu
Lawrence Berkeley National Laboratoryn (http://xdb.lbl.gov/) mukaan piikin
3p1/2 sidosenergia on 15.9 eV ja piikin 3p3/2 sidosenergia on 15.7 eV. Saamamme
arvot heittävät näistä arvoista noin 2.8%.
Piikkien intensiteettien suhteelle saatu arvo 0.59 heittää teoreettisesta arvosta
1/2 noin 15%. Tämä suhteellisen suuri virhe johtunee ainakin osittain sovituksen
laadusta – spektripiikin muoto ei yleisesti vastaa täysin Gaussin funktion muotoa ja
käytimme taustalle visuaalisesti määritettyä vakioarvoa.