ФОТОЭФФЕКТ В МЕТОДЕ ЭСХА И В РЕНТГЕНОВСКОЙ АБСОРБЦИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Рис. 2.2. Схема опыта по исследованию спектров ЭСХА и рентгеновских спектров поглощения

Электронная спектроскопия представляет собой новый эффективный метод изучения атомной структуры, возможности которого во многих отношениях превосходят возможности рентгеновской спектроскопии. Было показано, что электронные спектры, если исследовать их в современных приборах с высоким разрешением, имеют линейчатый характер и получаемые линии — такие же узкие, как и рентгеновские эмиссионные линии. Развивая этот новый метод, мы исследовали спектры электронов, испускаемых при фотоэффекте. С фотоэффектом связан также процесс поглощения рентгеновских квантов. На рис. 2.2 показана схема опыта по изучению электронных спектров и рентгеновских спектров поглощения. В методе ЭСХА на образец падает пучок рентгеновских лучей, и выбитые из атомов образца фотоэлектроны анализируются по энергиям в магнитном или электростатистическом спектрометре. В рентгеновском спектрометре мы также направляем первичный рентгеновский пучок на образец, но измеряем в этом случае коэффициент поглощения рентгеновских лучей как функцию энергии падающих фотонов.

На диаграмме уровней показаны соответствующие процессы в атоме в случае металлов, а также диэлектриков или полупроводников с собственной проводимостью. Темными кружками обозначены электроны, а светлыми — вакансии в атомных оболочках, возникающие вследствие выбрасывания электронов из этих оболочек на более высокие уровни под действием первичного рентгеновского излучения.

На рис. 2.2 схематически показаны процессы в атоме, которые связаны с испусканием фотоэлектронов и которыми обусловлена фотоэлектронная часть спектра, полученного методом ЭСХА; фигура поясняет механизм рентгеновского поглощения. В методе ЭСХА (левая часть рис. 2.2) связанный электрон (на схеме электрон К-оболочки) переходит в свободное состояние и вылетает за пределы образца. Он имеет определенную энергию, точность измерения которой ограничена только естественной шириной уровня, с которого выбрасывается электрон, а также точностью измерения энергии падающего характеристического рентгеновского излучения (внутренние уровни и энергетические зоны указаны справа, рядом с диаграммами).

В рентгеновском спектре поглощения основной (главный) край поглощения соответствует переходу связанного электрона на первый незанятый уровень (при условии, что этот переход разрешен правилами отбора). В металле этот уровень расположен в зоне проводимости и совпадает с уровнем Ферми или лежит несколько выше его.

Рис. 2.3. Общий вид спектра фотоэлектронов (спектра ЭСХА) и рентгеновского спектра поглощения для одного и того же вещества

В диэлектрике верхний уровень перехода расположен у дна зоны проводимости. Если увеличивать энергию фотонов, падающих на образец, электрон, находящийся на внутреннем уровне, будет переходить на более высокие незанятые уровни в зоне проводимости, и форма кривой поглощения будет в основном определяться структурой внешних, свободных энергетических зон. В связи с этим усложняется интерпретация спектров и оценка энергии уровней, которые мы изучаем.

Электронный спектр, полученный методом ЭСХА, непосредственно воспроизводит структуру электронных уровней. Для электронов внутренних оболочек характерны узкие линии, для электронов в зоне проводимости — широкие энергетические распределения. Форма краев в рентгеновском спектре поглощения зависит от особенностей распределения уровней в зоне, в которую возбуждаются электроны.

На рис. 2.3 схематически показана форма электронного спектра и рентгеновского спектра поглощения, соответствующего одной и той же Системе уровней, приведенной в верхней части схемы.