If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

જો તમે વેબ ફિલ્ટરની પાછળ હોવ, તો કૃપા કરીને ખાતરી કરો કે ડોમેન્સ *.kastatic.org અને *.kasandbox.org અનબ્લોક થયા છે.

મુખ્ય વિષયવસ્તુ

ફોટોઈલેક્ટ્રોન સ્પેકટ્રોસ્કોપી

મુખ્ય બાબતો

  • ફોટોઈલેક્ટ્રોન સ્પેકટ્રોસ્કોપી (PES) પરમાણુઓ અને અણુમાં ઇલેક્ટ્રોનની સાપેક્ષ ઊર્જા નક્કી કરવા માટેની પ્રાયોગિક પદ્ધતિ છે.
  • ફોટોઈલેક્ટ્રોન સ્પેકટ્રોમીટર વધુ-ઊર્જાવાળા વિકિરણનો (જેમ કે UV અથવા ક્ષ-કિરણો) ઉપયોગ કરીને નમૂનાના આયનીકરણ વડે કાર્ય કરે છે અને પછી ઉત્સર્જિત ઇલેક્ટ્રોનની ગતિઊર્જાનું (KE) માપન કરે છે.
  • આપાત વિકિરણની ઊર્જા (hν) અને ફોટોઈલેક્ટ્રોનની KE આપેલી છે, દરેક ઉત્સર્જિત ઇલેક્ટ્રોનની બંધન ઊર્જા (BE) નીચેના સમીકરણ વડે ગણી શકાય છે: BE=hνKEઈલેક્ટ્રોન
  • PES વર્ણપટ ફોટોઈલેક્ટ્રોન સંખ્યા vs. બંધન ઊર્જા નો આલેખ છે.
  • PES વર્ણપટમાં પીક પરમાણુના જુદા જુદા પેટાકોષમાં આવેલા ઈલેક્ટ્રોનને અનુરૂપ હોય છે. ન્યુનતમ બંધન ઊર્જા સાથેના પીક સંયોજકતા ઈલેક્ટ્રોનને અનુરૂપ હોય છે, જ્યારે વધુ બંધન ઊર્જા સાથેના પીક મુખ્ય ઈલેક્ટ્રોનને અનુરૂપ હોય છે.

પરિચય: ફોટોઈલેક્ટ્રોન સ્પેકટ્રોસ્કોપી શું છે?

ફોટોઈલેક્ટ્રોન સ્પેકટ્રોસ્કોપી (PES) એક પ્રાયોગિક પદ્ધતિ છે જે પરમાણુઓ અને અણુમાં ઇલેક્ટ્રોનની સાપેક્ષ ઊર્જાનું માપન કરે છે. અણુમાં બંધનું નિરીક્ષણ કરવા અથવા તત્વના સંઘટનનો અભ્યાસ કરવા માટે વૈજ્ઞાનિકો આનો ઉપયોગ કરે છે. તેમછતાં, આપણે પરમાણ્વીય બંધારણની ઊંડી સમજ મેળવવા PES નો ઉપયોગ કરવા જઈ રહ્યા છીએ: તત્વના શુદ્ધ નમૂના માટે PES માહિતી જોઈને, આપણે જોઈશું કે ફોટોઈલેક્ટ્રોન સ્પેકટ્રોસ્કોપી કઈ રીતે આપણને ઈલેક્ટ્રોન કોશ અને પેટાકોશ, ઇલેક્ટ્રોનીય રચના માટે આધાર પૂરો પાડે છે.

ફોટોઈલેક્ટ્રોન સ્પેકટ્રોસ્કોપીનો પાયો

ફોટોઈલેક્ટ્રોન સ્પેકટ્રોસ્કોપી ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસર પર આધાર રાખે છે, આ ભૌતિક ઘટના 1905 માં આલ્બર્ટ આઈનસ્ટાઈને જોઈ હતી. ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસર નીચે મુજબ છે: જ્યારે ધાતુના ઇલેક્ટ્રોનને પૂરતા વિકિરણના પ્રકાશમાં ખુલ્લા રાખવામાં આવે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોનનું ધાતુની સપાટીમાંથી ઉત્સર્જન થાય છે. જો આપણે ઉત્સર્જિત ઇલેક્ટ્રોન (ફોટોઈલેક્ટ્રોન) ની ગતિઊર્જા અને આપાત વિકિરણની ઊર્જા જાણતા હોઈએ, તો આપણે ઘન ધાતુમાં ઇલેક્ટ્રોનની ઊર્જાની ગણતરી કરી શકીએ. (વધુ માહિતી માટે, ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસર પરનો આ આર્ટીકલ ચકાસો.)
ફોટોઈલેક્ટ્રોન સ્પેકટ્રોસ્કોપી ધાતુને બદલે અણુ અથવા મુક્ત પરમાણુ પર ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસર લાગુ પાડે છે. PES માં, નમૂના પર વધુ-ઊર્જા વિકિરણ નાંખવામાં આવે છે, સામાન્ય રીતે UV અથવા ક્ષ-કિરણ, જેના કારણે નમૂનામાંથી ઇલેક્ટ્રોનનું ઉત્સર્જન થાય છે. ઉત્સર્જિત ઈલેક્ટ્રોન નમૂનામાંથી ઊર્જા પરીક્ષણમાં જાય છે, જ્યાં ગતિઊર્જાની નોંધ લેવામાં આવે છે, અને પછી પરખયંત્રમાં, જે જુદી જુદી ગતિઊર્જા આગળ ફોટોઈલેક્ટ્રોનની સંખ્યા માપે છે. આ પ્રક્રિયાની આકૃતિ નીચે બતાવેલી છે..
ફોટોઈલેક્ટ્રોન સ્પેકટ્રોમીટર.
ફોટોઈલેક્ટ્રોન સ્પેકટ્રોમીટરની આકૃતિ. UV અથવા ક્ષ-કિરણ વિકિરણ નમૂનાને આયનીકરણ કરવા વપરાય છે, અને ઉત્સર્જિત ઈલેક્ટ્રોનની ગતિઊર્જા નોંધવામાં આવે છે. Image credit: "ARPESgeneral" by Saiht on Wikimedia Commons, CCO 1.0.
નમૂનામાંથી ઇલેક્ટ્રોનને બહાર લાવવા માટે જરૂરી ઊર્જાને ઇલેક્ટ્રોનની આયનીકરણ ઊર્જા અથવા બંધન ઊર્જા કહેવામાં આવે છે. આપણે ઈલેક્ટ્રોન ઉત્સર્જિત કરવા માટેની વિકિરણ ઊર્જા (hν) જાણીએ છીએ. તેથી, ફોટોઈલેક્ટ્રોનની ગતિઊર્જા (KEઇલેક્ટ્રોન) માપીને, આપણે નમુનામાં ઈલેક્ટ્રોનની બંધન ઊર્જા (BE) ની ગણતરી કરી શકીએ:
BE=hνKEઈલેક્ટ્રોન
પરમાણુમાં ઈલેક્ટ્રોનની બંધન ઊર્જા ન્યુક્લિયસની આસપાસ તેના સ્થાન પર આધાર રાખે છે. બાહ્યતમ કોશમાં ઈલેક્ટ્રોન (સંયોજકતા ઈલેક્ટ્રોન) વધુ આવરિત હોય છે અને સરેરાશે ન્યુક્લિયસથી દૂર હોય છે, તેથી તેમની પાસે પરમાણુમાં બધા જ ઇલેક્ટ્રોનની ન્યુનતમ બંધ ઊર્જા હશે. વિપરીત રીતે, અંદરના કોશમાં ઈલેક્ટ્રોન (મુખ્ય ઈલેક્ટ્રોન) ઓછા આવરિત હોય અને ન્યુક્લિયસની વધુ નજીક હોય છે, તેથી તેમની પાસે વધુ બંધન ઊર્જા હોય છે. આપણે પછીના વિભાગમાં જોઈશું એ મુજબ, ઇલેક્ટ્રોનની બંધ ઊર્જા અને તેના સ્થાન વચ્ચેનો સંબંધ સમજવો PES માહિતીના અર્થઘટન માટે જરૂરી છે.

PES વર્ણપટનું અવલોકન કરવું

PES પ્રયોગ પરની માહિતી ફોટોઈલેક્ટ્રોન સંખ્યા vs. બંધન ઊર્જાના આલેખ તરીકે મેળવવામાં આવે છે, બંધન ઊર્જાને સામાન્ય રીતે ઈલેક્ટ્રોન વોલ્ટ (eV) અથવા મેગાજુલ (MJ) પ્રતિ મોલ એકમમાં દર્શવવામાં આવે છે. માહિતી અર્થઘટનની મદદ સાથે, તત્વ માટેની PES માહિતી આલેખવામાં આવે છે જેથી જેમ તમે સમક્ષિતિજ અક્ષ પર જમણી બાજુએ જાઓ તેમ બંધન ઊર્જા ઘટે છે, જેમાં ઊગમબિંદુ પરમાણુનું ન્યુક્લિયસ દર્શાવે છે.
PES વર્ણપટ જુદી જુદી બંધન ઊર્જા આગળ પીક દર્શાવે છે. પરમાણુના ચોક્કસ પેટાકોશમાં ઈલેક્ટ્રોન પાસે સમાન બંધન ઊર્જા હોય છે, તેથી આ દરેક પીક જુદા જુદા પેટાકોશમાં ઇલેક્ટ્રોનને અનુરૂપ હોય છે. પીકની બંધન ઊર્જા આપણને જણાવે છે કે પેટાકોશમાંથી ઇલેક્ટ્રોનને દૂર કરવા માટે કેટલી ઊર્જાની જરૂર છે, અને પીકની તીવ્રતા આપણને પેટાકોશમાં ઇલેક્ટ્રોનની સાપેક્ષ સંખ્યા જણાવે છે.
દ્રષ્ટાંત માટે, કેટલીક PES માહિતી જોઈએ. વાસ્તવિક PES માહિતી જટિલ હોય છે અને બીજા વડે અર્થઘટન કરવું અઘરું છે. તેથી, આપણે આદર્શ વર્ણપટનું અવલોકન કરીએ જેમાં માહિતીને વધુ સરળતાથી સમજી શકાય એમ ગોઠવવામાં આવે છે.

લિથિયમનું PES વર્ણપટ

લિથિયમ, Li સાથેના PES વર્ણપટની શરૂઆત કરીએ. ઉદાહરણ તરીકે, લિથિયમ માટે ધરા-અવસ્થામાં ઇલેક્ટ્રોનની રચના 1s22s1 છે.
લિથિયમનો આદર્શ PES વર્ણપટ. વર્ણપટ બે પીક બતાવે છે, એક 10 થી 1 MJ/mol ની બંધન ઊર્જા સાથે અને 1 થી 10 MJ/mol ની બંધન ઉર્જા સાથે એક . વધુ બંધન ઊર્જા સાથેનું પીક ન્યુનતમ બંધન ઊર્જા સાથેના પીક કરતા બમણું તીવ્ર છે.
લિથિયમનો આદર્શ PES વર્ણપટ.
PES વર્ણપટ બે પીક બતાવે છે, જે લિથિયમના 2 જુદા જુદા પેટાકોશમાં ઈલેક્ટ્રોન દર્શાવે છે (1s અને 2s). ઊગમબિંદુની નજીકનું પીક દૂરના પીક કરતા બમણી તીવ્રતા ધરાવે છે. લિથિયમનો 1s પેટાકોશ 2s પેટાકોશની સરખામણીમાં બમણા ઈલેક્ટ્રોન ધરાવે છે (2 vs. 1), તેથી ઊગમબિંદુની નજીકનું પીક લિથિયમના પેટાકોશને અનુરૂપ છે.
આ બંધન ઊર્જાના સંદર્ભમાં પણ અર્થપૂર્ણ છે: આપણે જાણીએ છીએ કે લિથિયમના 1s પેટાકોશમાં ઈલેક્ટ્રોન ન્યુક્લિયસની નજીક છે અને 2s પેટાકોશમાં ઈલેક્ટ્રોન કરતા ઓછા આવરિત છે. પરિણામે, 1s ઇલેક્ટ્રોનને દૂર કરવા માટે વધુ ઊર્જાની જરૂર પડે છે. PES વર્ણપટમાં 1s પીક વધુ બંધન ઊર્જા આગળ મળે છે એ હકીકત સાથે સુસંગત છે.
નોંધો કે લિથિયમના 2s પીકની બંધન ઊર્જા બરાબર લિથિયમની પ્રથમ આયનીકરણ ઊર્જા–લિથિયમ પરમાણુમાંથી બાહ્યતમ અથવા ઓછા બંધિત ઇલેક્ટ્રોનને દૂર કરવા માટે આ જરૂરી ઊર્જાનો જથ્થો છે. તેમછતાં, 1s પીકની બંધન ઊર્જા બરાબર લિથિયમની બીજી આયનીકરણ ઊર્જા નથી. એકવાર પ્રથમ ઇલેક્ટ્રોનને લિથીયમમાંથી દૂર કરવામાં આવે, પછી 1s ઈલેક્ટ્રોન ન્યુક્લિયસ સાથે વધુ મજબૂતાઈથી જોડાય છે, જે આ ઇલેક્ટ્રોનની બંધન ઊર્જા વધારે છે..

ઓક્સિજનનો PES વર્ણપટ

પછી, વધુ ઈલેક્ટ્રોન સાથેના તત્વને ધ્યાનમાં લઈએ. નીચે ઓક્સિજન, O માટે આદર્શ PES વર્ણપટ છે. ઉદાહરણ તરીકે, ઓક્સિજનની ધરા-અવસ્થાની ઇલેક્ટ્રોનીય રચના 1s22s22p4 છે.
ઓક્સિજનનો આદર્શ PES વર્ણપટ. વર્ણપટ ત્રણ પીક બતાવે છે, એક 100 થી 10 MJ/mol ની બંધન ઊર્જા સાથે અને 10 થી 1 MJ/mol ની બંધન ઉર્જા સાથેના બે. ન્યુનતમ બંધન ઊર્જા સાથેનું પીક બાકીના બે પીક કરતા બમણું તીવ્ર છે.
ઓક્સિજનનો આદર્શ PES વર્ણપટ.
આ વર્ણપટમાં, ત્યાં ત્રણ પીક છે, દરેક ઓક્સિજનના જુદા જુદા પેટાકોશમાં ઈલેક્ટ્રોન દર્શાવે છે (ક્યાં તો 1s, 2s, અથવા 2p). બંધન ઊર્જાના સંદર્ભમાં, આપણે અનુમાન લગાવીએ કે મહત્તમ બંધન ઊર્જા (સૌથી ડાબી બાજુનું પીક) સાથેનું પીક પેટાકોશમાં ઇલેક્ટ્રોનને અનુરૂપ છે, તેથી આ ઈલેક્ટ્રોન ન્યુક્લિયસની નજીક છે અને 2s અથવા 2p પેટાકોશ કરતા ઓછા આવરિત હોય છે. પછીની મહત્તમ બંધન ઊર્જા સાથેનું પીક 2s પેટાકોશને અનુરૂપ છે, અને ન્યુનતમ બંધન ઊર્જા સાથેનું પીક 2p ને અનુરૂપ છે.
આપણે ત્રણ પીકની તીવ્રતાઓ ધ્યાનમાં લઈને પીકની ચકાસણી કરી શકાય: ઓક્સિજનના 2p પેટાકોશ 1s અથવા 2s પેટાકોશ કરતા બમણા ઓક્સિજન ધરાવે છે (4 vs. 2). પરિણામે, આપણે અનુમાન કરીએ કે 2p પીક 1s અથવા 2s પીક કરતા બમણી તીવ્રતા ધરાવે છે, જે આપણે વર્ણપટમાં જોઈ શકીએ છીએ.
અંતે, નોંધો કે 2s અને 2p ઇલેક્ટ્રોનને અનુરૂપ પીક પાસે સમાન બંધન ઊર્જા છે (બંને 1 અને 10 MJ/mol ની વચ્ચે), જ્યારે 1s ઇલેક્ટ્રોનને અનુરૂપ પીક પાસે વધુ બંધન ઊર્જા છે (100 MJ/mol ની નજીક). સમાન સંયોજકતા કોશમાં ઈલેક્ટ્રોન પાસે એકસમાન ઊર્જાઓ હશે, તેથી આપણે અનુમાન લગાવીએ કે સમાન કોશના ઇલેક્ટ્રોનને એકસાથે PES વર્ણપટમાં મુકવામાં આવે છે. આ "સમૂહ" પર નજર કરતા આપણે PES વર્ણપટમાં સંયોજકતા અને મુખ્ય ઈલેક્ટ્રોન વચ્ચે તફાવત સમજવામાં મદદ કરી શકાય.
ખ્યાલ ચકાસણી: તટસ્થ કેલ્શિયમના PES વર્ણપટમાં તમે કેટલા પીકનું અનુમાન કરો છો?

PES વર્ણપટને આધારે તત્વને ઓળખવું

ફોટોઈલેક્ટ્રોન સ્પેકટ્રોમીટરનો ઉપયોગ કરીને અજ્ઞાત તત્વના શુદ્ધ નમુનાનું નિરીક્ષણ કરવામાં આવે છે, જે નીચે બતાવેલો વર્ણપટ ઉત્પન્ન કરે છે. આપણા રહસ્યમયી તત્વની ઓળખ શું છે?
રહસ્યમયિ તત્વનો આદર્શ PES વર્ણપટ. વર્ણપટ પાંચ પીક બતાવે છે 100 MJ/mol નજીકની બંધન ઊર્જા સાથે એક, 10 MJ/mol નજીકની બંધન ઊર્જા સાથે બે, 1 MJ/mol નજીકની બંધન ઊર્જા સાથે બે. ડાબીથી જમણી બાજુ, પીકની સાપેક્ષ તીવ્રતાઓ 2x, 2x, 6x, 2x, અને 1x છે.
રહસ્યમયિ તત્વનો આદર્શ PES વર્ણપટ!
PES વર્ણપટ પાંચ પીક બતાવે છે, જે પાંચ પેટાકોશમાં આવેલા ઇલેક્ટ્રોનને અનુરૂપ હોવાનું અનુમાન લગાવી શકાય જે ન્યુક્લિયસની નજીક છે: 1s, 2s, 2p, 3s, અને 3p. મહત્તમ બંધન ઊર્જા સાથેનો પીક (સૌથી ડાબી બાજુનો પીક) 1s પેટકોશ સાથે અનુરૂપ હોવો જોઈએ, જ્યારે ન્યુનતમ બંધન ઊર્જા સાથેનો પીક (સૌથી જમણી બાજુનો પીક) 3p પેટકોશ સાથે અનુરૂપ હોવો જોઈએ. નોંધો કે 3p પીકની ઊંચાઈ 1s, 2s, અને 3s પીક કરતા અડધી છે, જે સૂચવે છે કે રહસ્યમયી તત્વના 3p પેટાકોશમાં ફક્ત 1 જ ઈલેક્ટ્રોન છે.
કયા તત્વ પાસે તેના 3p પેટાકોશમાં ફક્ત એક જ ઈલેક્ટ્રોન છે? આવર્ત કોષ્ઠકને જોઈને, p-વિભાગની ત્રીજી હરોળમાં પ્રથમ તત્વ એલ્યુમિનિયમ (Al) છે. તેથી, આ આપણું રહસ્યમયી તત્વ હોવું જોઈએ! ખાતરી કરવા માટે, ચાલો ચકાસીએ કે Al ની ઇલેક્ટ્રોનીય રચના સાથે વર્ણપટના પીક સુસંગત છે, જે 1s22s22p63s23p1 છે.
આપણે જાણીએ છીએ એ મુજબ, વર્ણપટમાં પાંચ પીક છે, જે એલ્યુમિનિયમની ઇલેક્ટ્રોનીય રચનામાં દર્શાવેલી પાંચ આવરિત પેટાકોશને અનુરૂપ હોય છે. પીકની તીવ્રતાઓ એ હકીકત સાથે સુસંગત છે કે 2p પેટાકોશ 1s, 2s, અને 3s પેટાકોશ કરતા ત્રણ ગણા ઈલેક્ટ્રોન ધરાવે છે અને 3p પેટાકોશ કરતા છ ગણા ઈલેક્ટ્રોન વધુ ધરાવે છે. અંતે, આપણે વર્ણપટમાં પિકનાં સમૂહ અથવા ત્રણ વિસ્તાર જોઈએ છીએ, Al માં ત્રણ ઈલેક્ટ્રોન કોશ છે. એકંદરે, આપણને ખાતરી છે કે વર્ણપટ એલ્યુમિનિયાનો જ છે!

સારાંશ

  • ફોટોઈલેક્ટ્રોન સ્પેકટ્રોસ્કોપી (PES) પરમાણુઓ અને અણુમાં ઇલેક્ટ્રોનની સાપેક્ષ ઊર્જા નક્કી કરવા માટેની પ્રાયોગિક પદ્ધતિ છે.
  • ફોટોઈલેક્ટ્રોન સ્પેકટ્રોમીટર વધુ-ઊર્જાવાળા વિકિરણનો (જેમ કે UV અથવા ક્ષ-કિરણો) ઉપયોગ કરીને નમૂનાના આયનીકરણ વડે કાર્ય કરે છે અને પછી ઉત્સર્જિત ઇલેક્ટ્રોનની ગતિઊર્જાનું (KE) માપન કરે છે.
  • આપાત વિકિરણની ઊર્જા (hν) અને ફોટોઈલેક્ટ્રોનની KE આપેલી છે, દરેક ઉત્સર્જિત ઇલેક્ટ્રોનની બંધન ઊર્જા (BE) નીચેના સમીકરણ વડે ગણી શકાય છે: BE=hνKEઈલેક્ટ્રોન
  • PES વર્ણપટ ફોટોઈલેક્ટ્રોન સંખ્યા vs. બંધન ઊર્જા નો આલેખ છે.
  • PES વર્ણપટમાં પીક પરમાણુના જુદા જુદા પેટાકોષમાં આવેલા ઈલેક્ટ્રોનને અનુરૂપ હોય છે. ન્યુનતમ બંધન ઊર્જા સાથેના પીક સંયોજકતા ઈલેક્ટ્રોનને અનુરૂપ હોય છે, જ્યારે વધુ બંધન ઊર્જા સાથેના પીક મુખ્ય ઈલેક્ટ્રોનને અનુરૂપ હોય છે.