Принцип работы пэс. Принцип работы приливных электростанций: использование энергии приливов и отливов — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как устроены и работают приливные электростанции. Каковы преимущества и недостатки использования энергии приливов для выработки электроэнергии. Какие перспективы развития приливной энергетики в мире и России.

Содержание

Что такое приливная электростанция и как она работает

Приливная электростанция (ПЭС) — это особый вид гидроэлектростанции, использующей энергию приливов и отливов для выработки электричества. Принцип ее работы основан на преобразовании кинетической энергии движущихся водных масс в электрическую энергию.

Основные элементы конструкции ПЭС:

Плотина, отделяющая часть акватории от моря
Водопропускные отверстия с установленными в них гидротурбинами
Генераторы, преобразующие механическую энергию турбин в электричество
Бассейн для накопления воды

Как работает приливная электростанция

Цикл работы ПЭС состоит из нескольких этапов:

Во время прилива вода через турбины поступает в бассейн, вращая их лопасти и вырабатывая электроэнергию.
При достижении максимального уровня прилива, турбины останавливаются.

Во время отлива вода из бассейна устремляется обратно в море через турбины, снова вырабатывая электричество.
При минимальном уровне отлива цикл повторяется.

Таким образом, ПЭС может вырабатывать электроэнергию как в период прилива, так и отлива. Это позволяет обеспечить более равномерную выработку электричества в течение суток.

Преимущества приливных электростанций

Использование энергии приливов для получения электричества имеет ряд существенных преимуществ:

Возобновляемый источник энергии, не истощающийся со временем
Экологическая чистота производства — отсутствие вредных выбросов
Предсказуемость выработки электроэнергии
Низкая себестоимость производства электричества после окупаемости станции
Долгий срок службы основных конструкций (50-100 лет)

Недостатки и ограничения приливных электростанций

Несмотря на экологичность, приливные электростанции имеют некоторые существенные недостатки:

Высокие капитальные затраты на строительство
Длительный срок окупаемости проектов (15-20 лет)
Зависимость от природных условий конкретного места
Негативное влияние на морские экосистемы в районе строительства
Невозможность транспортировки вырабатываемой энергии на большие расстояния

Где строят приливные электростанции

Для эффективной работы ПЭС необходимы определенные природные условия:

Значительная амплитуда колебаний уровня воды при приливах и отливах (от 4 метров)
Удобная для строительства береговая линия — узкие заливы, эстуарии рек
Близость к потребителям электроэнергии

Подходящие места для строительства ПЭС есть во многих странах мира, имеющих выход к морю. Наиболее перспективными районами считаются:

Атлантическое побережье Франции, Великобритании, Канады
Тихоокеанское побережье России, США, Китая
Побережье Австралии
Белое и Баренцево моря в России

Крупнейшие приливные электростанции в мире

На сегодняшний день в мире работает всего несколько крупных промышленных ПЭС:

Ля Ранс (Франция) — мощность 240 МВт, работает с 1966 года
Сихвинская (Южная Корея) — мощность 254 МВт, запущена в 2011 году
Аннаполис (Канада) — мощность 20 МВт, работает с 1984 года
Цзянся (Китай) — мощность 3,2 МВт, введена в эксплуатацию в 1980 году

Также действует ряд экспериментальных и малых станций в разных странах.

Перспективы развития приливной энергетики в России

Россия обладает огромным потенциалом для развития приливной энергетики благодаря протяженной береговой линии. Наиболее перспективными районами считаются:

Охотское море (Пенжинская губа, Тугурский залив)
Белое море (Мезенский залив)
Баренцево море

В настоящее время в России действует только одна экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 1,7 МВт. Ведется проектирование нескольких крупных станций:

Северная ПЭС (12 МВт)
Мезенская ПЭС (8000 МВт)
Тугурская ПЭС (3640 МВт)
Пенжинская ПЭС (87400 МВт)

Реализация этих проектов позволит России стать мировым лидером в области приливной энергетики.

Новые технологии в приливной энергетике

Для повышения эффективности и снижения стоимости строительства ПЭС разрабатываются новые технологии:

Ортогональные турбины, способные работать при любом направлении течения
Погружные турбогенераторы, не требующие строительства плотины
Использование композитных материалов для снижения веса конструкций
Системы накопления энергии для выравнивания графика выработки

Применение этих инноваций позволит сделать приливные электростанции более конкурентоспособными по сравнению с другими источниками энергии.

Заключение

Приливные электростанции представляют собой перспективную экологически чистую технологию производства электроэнергии. Несмотря на ряд ограничений, связанных с географией размещения и высокими начальными затратами, потенциал развития приливной энергетики очень велик. По мере совершенствования технологий и роста цен на ископаемое топливо, ПЭС могут стать важным элементом энергетических систем прибрежных стран.

Использование приливных электростанций в системе энергоснабжения

Авторы: Соломатин Алексей Сергеевич, Мирзоян Александр Германович, Суруджян Аркадий Самвелович

Рубрика: 5. Энергетика

Опубликовано в

III международная научная конференция «Технические науки: теория и практика» (Чита, апрель 2016)

Дата публикации: 15.03.2016

Статья просмотрена: 7360 раз

Скачать электронную версию

Библиографическое описание:

Соломатин, А. С. Использование приливных электростанций в системе энергоснабжения / А. С. Соломатин, А. Г. Мирзоян, А. С. Суруджян. — Текст : непосредственный // Технические науки: теория и практика : материалы III Междунар. науч. конф. (г. Чита, апрель 2016 г.). — Чита : Издательство Молодой ученый, 2016. — С. 85-88. — URL: https://moluch.ru/conf/tech/archive/165/10031/ (дата обращения: 11.05.2023).

В наши дни человечество сталкивается с немалым количеством проблем, требующих незамедлительного решения. Эти проблемы затрагивают все отрасли жизнедеятельности людей. Энергетическая сфера — не исключение. Решение проблем и задач именно этой отрасли является одной из самых важных, т. к. жизнедеятельность человека связана с ней очень тесно. В настоящее время люди используют для получения электроэнергии исчерпаемые природные ресурсы, которые рано или поздно закончатся. Встает вопрос о рационализации использования таких ресурсов как нефть, газ, природный уголь. Запасы этих природных ископаемых ограничены и через несколько десятков лет иссякнут полностью.

В связи с этим появляются задачи о разработке и использовании новых источников электроэнергии. Энергетики всего мира ищут ответ на поставленный вопрос. Самым перспективным направлением считается использование неисчерпаемых природных ресурсов, таких как солнце, ветер, энергия приливов, тепло недр земли. В данной статье будет рассмотрен один из таких источников, а точнее, приливные электростанции.

Приливная электростанция — разновидность гидроэлектростанции, работающая за счет энергии приливов и отливов водных масс. Веками люди изучали принцип движения морских приливов и отливов. В результате исследований было выявлено, что эти явления обусловлены гравитационными воздействиями Луны и Солнца. После изучения встала задача об использовании этих явлений с целью получения электроэнергии. И эта задача была решена. В 1913 году ученым из Ливерпуля удалось построить приливную электростанцию, мощность которой составляла 635 кВт. Этот год знаменуется началом развития строительства приливных электростанций.

Принцип работы приливной электростанции заключается в том, что во время прилива вода проходит через турбогенератор, заставляя вращаться его лопасти. Вращаясь, лопасти генератора вырабатывают электроэнергию. Затем вода попадает в специальный бассейн, где находится до отлива. Во время отлива водные массы из бассейна проходя через турбогенератор попадают обратно в море. В это время электроэнергия вырабатывается снова. Турбина такого генератора устроена таким образом, что может вращаться в прямом и обратном направлении. Для устройства такой станции требуется строительство плотины, специального резервуара(бассейна). В связи с этими факторами требуется особый рельеф морского дна, где будет размещена электростанция. Схематичное изображение приливной электростанции приведено на рисунке 1.

Рис. 1. Схема приливной электростанции

Режим работы такой электростанции состоит из 8 циклов. 4 цикла электростанция находится в режиме ожидания приливов и отливов, а 4 цикла находится в рабочем состоянии.

Продолжительность приливно-отливных циклов около 4–5 часов. Тогда встает рациональный вопрос о бесперебойности электроснабжения. К сожалению, электростанции такого типа не могут обеспечить этого критерия. В связи с этим, энергетики связывают использование этих электростанций совместно с электростанциями другого типа, например гидроэлектростанциями. Работая в паре с гидроэлектростанцией, приливная станция обеспечивает снижение нагрузки, приходящейся на гидроэлектростанцию. В настоящее время приливные электростанции активно развиваются, постепенно вливаясь в систему энергоснабжения. На рисунке 2 приведен принцип работы приливной электростанции.

Рис. 2. Принцип работы приливной электростанции

Помимо разработки и использования приливных электростанций нельзя упускать из виду вопрос о целесообразности рентабельности такого проекта. Приливные электростанции являются дорогостоящими установками, в связи со строительством дополнительных составляющих станции, таких как плотина и бассейн.

Но этим факторам противопоставляется факт низкой себестоимости вырабатываемой электроэнергии, так как получается она за счет лишь движения водных масс. Таким образом, можно сказать, что строительство приливных электростанций целесообразно и актуально, особенно в прибрежных районах страны.

Также нельзя упускать из внимания и экологический аспект, потому как одним из критериев в принятии решения о строительстве такого сооружения как приливная электростанция является безвредность для окружающей среды. В этом аспекте у приливных электростанций есть существенное преимущество над любым другим типом электростанции. Станции приливного типа используют только прилив и отлив водных масс, то есть нет никаких побочных продуктов от производства электроэнергии, таких как газ от сгорания органического топлива, радиоактивных отходов, сажа. Это существенный плюс станции приливного типа. Еще одним преимуществом является безопасность, то есть в случае любого природного катаклизма, человеческой халатности или любых других обстоятельств, худшее, что может произойти со станцией — выход из строя турбогенератора, разрушение плотины, разрушение рабочего блока. Попадание в окружающую среду опасных веществ невозможно.

К преимуществам приливных электростанций стоит отнести:

Экологичность;
Безопасность;
Дешевая себестоимость производимой электроэнергии;
Простота конструкции;

К недостаткам таких станций относятся:

Дороговизна постройки;
Непостоянство энергоснабжения;
Малая вырабатываемая мощность;
Ограниченный ареал размещения;

Тем не менее, приливные электростанции имеют тенденцию развития и внедрения в систему энергоснабжения. На данный момент в мире всего около 10 приливных электростанций. 5 из них находятся в Китае и имеют очень малую мощность. Построены они с целью энергоснабжения малых населенных пунктов. В таблице 1 приведены данные о самых эффективных и крупных приливных электростанциях в мире.

Таблица 1

Суммируя все вышесказанное, возникает вопрос о том, почему же, имея ряд преимуществ, приливные электростанции до сих пор не заняли верхние позиции в системе современного энергоснабжения? Ответ заключается в том, что приливные электростанции не могут обеспечить самого главного требования потребителя: непрерывности выработки электроэнергии и достаточной мощности. Если человечество найдет решение этих вопросов, приливные электростанции смогут полностью решить проблему рационализации использования исчерпаемых природных ресурсов и займут лидирующее место в системе энергоснабжения. Таким образом, можно сказать, что электростанции приливного типа являются одним из самых перспективных направлений развития современной энергетики. На рисунке 3 изображена Российская приливная электростанция, расположенная в г. Кислогубск.

Рис. 3. Кислогубская ПЭС

Литература:

Альтернативные источники энергии. В.Германович., А.Турилин. 2011г.
Приливные электростанции. Бернштейн Л. В. 1987г.

Основные термины (генерируются автоматически): приливная электростанция, электростанция, приливный тип, принцип работы, система энергоснабжения, окружающая среда, отлив, станция.

принцип работы, плюсы и минусы

В существующем мире человек все чаще задумывается о необходимости применения возобновляемых источников энергии при получении электроэнергии, одним из таких, является энергия морских приливов, а для ее преобразования служат приливные электростанции.

Как известно, природные приливы и отливы, взаимосвязаны с движением Луны и Солнца вокруг биосферы планеты Земля, а также от ее движения вокруг своей оси вращения. В зависимости от положения космических тел по отношению к Земле, приливы и отливы могут различаться по свое силе, но так как это явление происходит регулярно, то человек решил, что их можно применить для своего использования.

Принцип работы приливной электростанции

Содержание статьи

Приливная электростанция – это комплекс инженерных систем, при помощи которых энергия от движения воды, или кинетическая энергия воды, преобразуется в электрическую.

Характер работы – цикличный, это обусловлено периодичностью приливов и отливов. В период покоя, а это происходит когда отлив заканчивается, или только начинается прилив, кинетическая энергия воды мала, и ее недостаточно. Этот период длится 1-2 часа. В активный период, ее продолжительность 4-5 часов, энергия водных масс, преобразуется в электрическую энергию. Циклы, в течение суток повторяются 4 раза.

Основным элементом любой электростанции служит генератор, который вырабатывает электрический ток, разница лишь в механизме, приводящем его во вращательное движение. В варианте приливной электростанции, этим механизмом становится гидротурбина.

Для того чтобы повысить КПД такого сложного комплекса, как приливная электростанция, выбирается местоположение, где регистрируются максимальные приливы. Затем монтируется плотина, которая отделяет акваторию самого моря от прибрежной зоны.

В тело построенной плотины монтируются гидротурбины, которые преобразуют кинетическую поступательную энергию воды, в кинетическую вращательную энергию. Также, чтобы повысить коэффициент использования, изготавливаются резервные водохранилища, которые во время прилива наполняются морской водой.

Во время отлива, набранная водная масса увеличивает количество вырабатываемой электрической энергии, за счет увеличения объема, который проходит через турбину. В качестве механизма, обеспечивающего набор воды во время прилива, выступают также гидротурбины.

Показателем работы электростанции любого типа является ее мощность, которая зависит от технических показателей и вида преобразуемой энергии.

У приливных электростанций мощность установки зависит от:

характера приливов и отливов, а также их мощности;
количества и объема резервных водохранилищ;
количества и мощности гидротурбин.

Количество турбин и их мощность напрямую зависят от характеров приливов и объема резервных хранилищ.

В связи с тем, что сооружение плотин сильно увеличивает стоимость строительства станции, то и развитие гидроэнергетики этого типа шло довольно медленно. Последние десятилетия появились новые материалы и новые технологии, которые не обошли своим вниманием и энергетику, в свете этого, появились новые типы приливных электростанций.

Принцип действия приливных электростанций нового поколения остался прежним, это преобразование движения водных масс, отличие же в том, что на специальной конструкции, которая закрепляется на дне, монтируются лопасти большого диаметра. Они вращаются при движении водных масс и через редукторы передают вращательное движение на генераторы. По конструкции электростанции такого типа напоминают ветряные генераторы, с той лишь разницей, что источником энергии у ветряных установок служит ветер, а у приливных станций – вода.

Плюсы и минусы использования

У любого агрегата всегда есть положительные и отрицательные аспекты его использования, и именно соотношение этих параметров определяет целесообразность его применения. Приливные электростанции не являются исключением, рассмотрим все плюсы и минусы использования этого источника энергии.

К плюсам использования можно отнести:

экологическая безопасность установок;
возобновляемый источник энергии;
возможность рассчитать количество получаемой энергии в долгосрочной перспективе;
низкая себестоимость получаемой электроэнергии;
продолжительный срок эксплуатации.

К минусам данного типа электростанций относятся:

высокие затраты на строительство при продолжительном сроке окупаемости проекта;
малая мощность вырабатываемой энергии;
цикличность работы.

Приливные электростанции в России

Использование источников энергии, способных к возобновлению, которые позволяют получать электроэнергию с низкой себестоимостью, дает ученым и инженерам всех стран, новые идеи и способы воплощения их в жизнь.

На территории нашей страны уже построен ряд приливных электростанций, и работы в этом направлении продолжаются.

Успешными проектами являются следующие.

Кислогубская ПЭС

Расположена в губе Кислая Баренцова моря, в Мурманской области. Работала с 1968 по 1992 год, когда
была поставлена на консервацию. Начиная с 2004 года производилась реконструкция станции, и с 2007 года работа станции была возобновлена. В настоящее время станция работает в штатном режиме.

Основные характеристики:

Электрическая мощность – 1,7 МВт;
Тип турбин – ортогональные;
Количество турбин – 2 комплекта;
Количество генераторов – 2 шт.;
ОРУ – 35 кВ.

Малая Мезенская ПЭС

Расположена в Мезенском заливе Белого моря, в Архангельской области. Начало работы – 2007 год, работает по настоящее время.

Основные характеристики:

Электрическая мощность – 1,5 МВт;
Тип турбины – ортогональная;
Количество турбин – 1 комплект;
Количество генераторов – 1 шт.

Ведутся работы по увеличения мощности и модернизации станции в более крупную Мезенскую ПЭС.

В настоящее время, кроме перечисленных выше, уже успешно реализованных, в стадии разработки и реализации находится еще несколько проектов.

Северная ПЭС

Расположена в губе Долгая-Восточная Баренцова моря, в Мурманской области. Проектная мощность 12,0 МВт, годовая выработка электрической энергии составит 23,8 млн. кВт/часов.

Пенжинская ПЭС

Расположена в Пенжинской губе залива Шелихоа в Охотском море.

Проектная мощность 21,4 ГВт, годовая выработка электрической энергии составит 50,0 млрд. кВт/часов.

Тугурская ПЭС

Расположена в Тугурском заливе Охотского моря, в Хабаровском крае.

Проектная мощность 8,0 ГВт, годовая выработка электрической энергии составит 20,0 млрд. кВт/часов.

Использование приливных электростанций за рубежом

Использование природной энергии широко распространено во многих странах мира, так приливные электростанции успешно работают в США, Франции, Канаде, Норвегии, Южной Корее, Великобритании, Китае и Индии. Важными условиями наличия подобных энергетических объектов являются: наличие технических возможностей и присутствие собственных морских побережий.

Рассмотрим несколько зарубежных проектов

Великобритания

В 1913 году около города Ливерпуль в бухте Ди в Великобритании впервые в мире запустили приливнуюэлектростанцию, мощность которой была 0,635 МВт.

В настоящее время там же в Великобритании на реке Северн идёт подготовка по реализации проекта в строительстве уже самой большой и мощной приливной электростанции. Проектная мощность составляет 8,6 ГВт.

США

Первая подобную станцию, в этой стране, начали строить в 1935 году. В настоящее время успешно реализованы несколько проектов, и есть проекты в стадии разработки.

Южная Корея

ПЭС «Shihwa», которая построена в 2003 году, имеет мощностью 254 МВт, и затем до 2011 года прошла модернизацию. Объем вырабатываемой электроэнергии составляет 550 млн. кВт/часов ежегодно.

В планах строительство еще нескольких электростанций подобного типа.

Канада

ПЭС «Аннаполис» была построена в 1985 году в заливе Фанди и имеет мощность 20 МВт.

Норвегия

ПЭС «Хаммерфест.», мощностью 300 кВт, была построена в 2003 году

Франция

ПЭС «Ля Ранс», выдающая мощность 240 МВт, расположена в провинции Северная Бретань.

Хотя использованием возобновляемых источников энергии интересуется большое количество специалистов из разных стран нашей планеты, тем не менее широкое распространение способ использования энергии природных приливов и отливов пока не получил. Это обусловлено рядом объективных причин.

Причины малой распространенности приливных станций

Мировой океан обладает огромным потенциалом, энергией которого можно обеспечить почти 20% от необходимого количества энергопотребления.

Причинами, которыми можно объяснить малое распространение приливных электростанций, можно назвать следующие:

При строительстве станций подобного типа приходится осуществлять вывод из общего пользования прибрежных территорий, что обусловлено организацией бассейна станции (строительство резервных бассейнов и охранные мероприятия).
Высокая стоимость при малой проектной мощности, что определяет большой срок окупаемости проекта.

Приведенные выше причины постепенно утрачивают свою актуальность, т. к. при использовании новых типов станций с лопастно-редукторными агрегатами, позволяет отказаться от строительства плотин и резервных бассейнов, что значительно снижает стоимость строительства и снижает сроки окупаемости проекта. А разработка новых, более мощных генераторов, позволяет получать большее количество электрической энергии, при тех же исходных параметрах первичной энергии, которой является энергия приливов и отливов.

Фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС): принцип, значение, ограничения

31 марта 2023 г. Джоти Башьял

Фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС) представляет собой экспериментальный метод определения энергии атомных и молекулярных электронов. Фотон, фундаментальный компонент света, можно использовать в методе, называемом фотоэлектронной спектроскопией, чтобы больше узнать о характеристиках различных веществ.

Поскольку данные, которые она предоставляет, привязаны к количеству энергии, выделяемой взаимодействующим электроном, фотоэлектронная спектроскопия также носит название «фотоэмиссионная спектроскопия». ПЭС широко используется в научном сообществе для исследования элементного состава и характеристики связи в молекулах.

Фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС)

Содержание

Что такое фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС)?

Фотоэлектронная спектроскопия является важным методом исследования структуры энергетических уровней атомов и молекул. PES используется для определения энергии связи электронов в соединениях. В фотоэлектронной спектроскопии измеряется кинетическая энергия фотоэлектронов, высвобождаемых после ионизации.

Фотоэлектронная спектроскопия в основном использует фотон для взаимодействия с электроном, в то время как другие части электромагнитного спектра также могут использоваться для спектроскопии. Фотоны ультрафиолетового и рентгеновского длин волн наиболее популярны для использования в фотоэлектронной спектроскопии.

Фотоэлектрический эффект, физическое явление, впервые описанное Альбертом Эйнштейном в 1905 году, лежит в основе фотоэлектронной спектроскопии. Фотоэлектрический эффект гласит, что когда электроны в металле подвергаются достаточному световому излучению, электроны выбрасываются с поверхности металла. Энергия электронов в твердом металле может быть рассчитана по кинетической энергии вылетевших электронов (фотоэлектронов) и энергии падающего излучения.

Типы фотоэлектронной спектроскопии

Когда этот метод использовался для исследования поверхности в прошлом, его часто делили на множество категорий в зависимости от происхождения используемого возбуждающего излучения.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) — метод анализа атомных структур, использующий «мягкое» рентгеновское излучение (энергия фотонов 200–2000 эВ). В XPS атом в молекуле или твердом теле поглощает фотон, вызывая его ионизацию и высвобождение электрона из его ядра (внутренней оболочки).
Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФС): исследование уровней валентности с помощью вакуумного УФ-излучения (с энергией фотонов 10–45 эВ). УПС включает удаление валентного электрона за счет взаимодействия фотона с валентными уровнями молекулы или твердого тела.

Принцип фотоэлектронной спектроскопии

Фотоэмиссия – это процесс, при котором вещество реагирует на присутствие электромагнитного излучения, высвобождая электроны. Энергия электромагнитной волны передается энергии электронов независимо от того, выпущены они или нет. Фотоэлектроны — это электроны, энергия которых зависит от материалов и взаимодействий внутри них, что делает их полезным инструментом изучения характеристик и реакций материалов. В фотоэмиссионной спектроскопии определяется энергия фотоэлектронов молекулы (ПЭС).

Для изучения характеристик различных веществ (газов, твердых тел и жидкостей) ученые могут использовать фотоэлектронную спектроскопию, которая включает измерение орбитальных энергий электронов. Обладая этой информацией, ученые могут делать выводы о составе вещества и атомных связях. Фотоэмиссионная спектроскопия является высокоточным методом измерения энергии электронов. По сравнению с оже-процессом основной механизм фотоэлектронной спектроскопии — цикл одиночного фотона и исходящего электрона — очень прост.

Для любого электромагнитного излучения энергия фотона может быть рассчитана с использованием соотношения Эйнштейна:

E=hν

где

ℎ — постоянная Планка ( 6,62 x 10 ^-34 Дж с)
ν — частота (Гц) излучения.

Схематическая диаграмма фотоэлектронной спектроскопии
Источник изображения: Thai synchrotron Lab]

Любой анализатор энергии электронов можно использовать для измерения распределения кинетической энергии фотоэлектронов (т. .

Существует ряд точек зрения, с которых можно рассматривать фотоионизацию, и одна из них следующая: энергия:

E(A)+ hv = E(A ⁺ ) + E(e ⁻ )

Это можно преобразовать, чтобы получить следующую формулу для кинетической энергии фотоэлектрона (К.Э.), как энергия электрона присутствует только как К.Е.

K.E = hv− (E(A ⁺ ) − E(A))

Следующее уравнение часто используется для описания взаимосвязи между энергией связи (BE) электрона и разностью энергий между ионизированный и нейтральный атом.

K.E = hv − B.E

Обычно для определения энергий связи (BE) энергетических уровней в твердых телах используется уровень Ферми твердого тела, а не уровень вакуума.

Как работает фотоэлектронная спектроскопия?

Когда на образец фокусируется свет с определенной длиной волны, испускается только определенное количество электронов. Количество излучаемой энергии пропорционально атомной энергии или уровням.
Фотоэлектронный спектр элемента можно использовать для:

определения различных атомных орбитальных уровней.
Откройте для себя электронное расположение атома.
Спектр фотоэлектронов имеет множество пиков, каждый из которых соответствует определенному орбитальному уровню, на котором могут быть обнаружены электроны.

Фотоэлектронная спектроскопия Экспериментальная установка Аппаратура ПЭС [Источник: xaktly]

Образец

Образцом может служить пучок частиц газа или плоская поверхность. В этой ситуации частицы движутся в виде луча, который пересекает свет под прямым углом.

Источник света
Источник ультрафиолетового или рентгеновского излучения используется в качестве источника света в эксперименте PES. Хотя гелиевые лампы могут излучать ультрафиолетовый (УФ) свет, их низкая интенсивность делает их непригодными для большинства современных исследований. Вместо этого исследователи используют лазеры или синхротроны для получения УФ-, ВУФ- и рентгеновского излучения соответственно.

Вакуумная камера с окном, через которое проходит свет. Чтобы избежать загрязнения переносимыми по воздуху молекулами и атомами, эксперимент часто проводится в вакуумной камере с высоким давлением.

Анализатор
Кинетическая энергия каждого электрона, выброшенного из атома под действием энергии ультрафиолетового или рентгеновского излучения, поддается измерению. Изогнутый путь фотоэлектрона при прохождении через энергоанализатор показан черно-зеленой пунктирной линией. Свободные электроны с отрицательным зарядом направляются в детектор путем регулировки электрических полей в анализаторе. Скорость вылетевшего электрона можно рассчитать, сканируя электрические поля. Силу сигнала ПЭС можно связать с количеством электронов, освобожденных от образца, поскольку свободные электроны представляют собой дискретные частицы.

Детектор
Когда электрон попадает на детектор, электрический сигнал отправляется на усилитель и записывается. Сигнал от детектора усиливается и передается на записывающее устройство, где фильтруется для удаления нежелательных шумов.

Уровни электронной энергии атомов и молекул можно определить путем создания и измерения фотоэлектронов с различной энергией, манипулируя как анализатором, так и источником света.

Анализ спектра фотоэлектронной спектроскопии

Эксперименты по ПЭС собирают данные в виде графиков количества фотоэлектронов в зависимости от энергии связи, причем последняя часто выражается в электрон-вольтах (эВ) или мегаджоулях (МДж) на моль.

При построении данных PES для элементов общепринятой практикой является уменьшение энергии связи вправо вдоль горизонтальной оси, при этом начало координат символизирует ядро атома, чтобы помочь нам понять данные.
Энергии связи пиков в спектре ПЭС различаются. Каждый из этих пиков представляет отдельную подоболочку электронной конфигурации атома, поскольку все электроны в этой подоболочке имеют одинаковую энергию связи.
Интенсивность пика указывает на относительное количество электронов в подоболочке, тогда как энергия связи пика указывает на энергию, необходимую для удаления электрона из подоболочки.

Спектры фотоэлектронной спектроскопии водорода

Водород имеет только один электрон, поэтому его фотоэлектронный спектр должен иметь только один пик. Ось Y представляет энергию, и значение составляет 1,312 МДж моль ^-1 . Это эквивалентно первой энергии ионизации водорода (1312 кДж моль ^-1).

Спектры фотоэлектронной спектроскопии лития

В спектре ПЭС можно увидеть два пика, которые относятся к двум подоболочечным электронам лития (1s и 2s).
Пик, расположенный ближе к источнику, в два раза сильнее пика, находящегося дальше.
Ближайший к началу координат пик должен быть подоболочкой 1s лития из-за несоответствия в количестве электронов между подоболочками 1s и 2s.
Это согласуется с энергиями связи, поскольку мы ожидаем, что электроны подоболочки 1s Li будут ближе к ядру и менее экранированы, чем электроны подоболочки 2s. Таким образом, необходимы дополнительные усилия для устранения 1s-электронов. Это подтверждается тем, что энергия связи пика 1s в спектре ПЭС выше.
Стоит отметить, что начальная энергия ионизации лития, или количество энергии, необходимое для удаления самого удаленного или наименее связанного электрона атома лития, идентична энергии связи пика лития 2s.
Тем не менее, вторая энергия ионизации лития не равна энергии связи 1s-пика. Если первый электрон удалить из лития, ядро удерживает 1s-электроны значительно сильнее, увеличивая их энергию связи

Фотоэлектронная спектроскопия и ее значение

Фотоэлектронная спектроскопия — мощный метод, поскольку он измеряет энергию электронных орбит, чтобы получить представление о физических характеристиках вещества (газов, твердых тел и жидкостей).
Для получения информации о составе материала и характере связей между его атомами. Одним из высокоточных методов определения энергии электронов является фотоэмиссионная спектроскопия.
Электроны остова находятся в центре внимания рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Он может показать как отдельные компоненты, составляющие материал, так и наличие или отсутствие связей между ними.
Электронная плотность состояний как органических, так и неорганических материалов может быть измерена с помощью ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии, которая в настоящее время используется в физике твердого тела и конденсированного состояния.
В области физики конденсированного состояния энергия электронов кристаллических материалов измеряется с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением.
Наконец, проводимость материалов может быть измерена учеными с помощью фотоэлектронной спектроскопии в крайнем ультрафиолетовом диапазоне.
Одним из распространенных применений фотоэлектронной спектроскопии является идентификация элементов. Фотоэлектронный спектроскоп используется для облучения материала и последующего анализа полученного спектра. В этом спектре будет несколько пиков, каждый на своем энергетическом уровне. Количество атомных орбиталей неизвестного элемента можно определить по его пиковому счету. Физик может определить общее количество атомных орбиталей, подсчитав пики. Ученый может рассчитать количество орбиталей и последовательность, в которой электроны занимают эти орбитали, используя только знания, полученные из элементарной химии.
В области медицины рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия может использоваться для проверки того, что раневая повязка содержит достаточное количество антибактериального серебра.
В области накопления энергии его можно использовать для исследования износа солнечных элементов (фазовые переходы вещества и зарождение кристаллов).
Многие молекулы в газовой фазе можно охарактеризовать с помощью ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии, метода, который используется уже довольно давно.

Ограничение фотоэлектронной спектроскопии

Энергичный фотон должен поразить электрон с достаточной силой, чтобы выбить его с атомной орбиты и привести в состояние, в котором его излучаемая энергия может быть измерена. Чтобы удалить основной электрон, рентгеновские фотоны должны иметь энергию, намного превышающую энергию ультрафиолетовых фотонов, которые могут удалить валентный электрон (электрон вне связанного атома). В результате основной задачей фотоэмиссионной спектроскопии является обеспечение энергии, необходимой для выбрасывания определенного вида электрона, связанного с интересующими данными.
Поскольку этот метод основан на смещенном фотоэлектроне, который движется от материала к детектору, фотоэлектронная спектроскопия может предоставить информацию только о поверхности материалов. Эта вероятность уменьшается по мере увеличения расстояния, которое должен пройти электрон.
Для работы фотоэлектронные спектрометры должны генерировать только один вид энергии (либо ультрафиолетовые, либо рентгеновские фотоны). Спектрометры также требуют вакуумной среды.

Ссылки

Суга С. и Секияма А. (2016). Фотоэлектронная спектроскопия. Springer-Verlag Berlin Ан. https://doi.org/10.1007/978-3-030-64073-6
Пинтори, Г., и Каттаруцца, Э. (2021). XPS/ESCA на стеклянных поверхностях: полезный инструмент для древних и современных материалов. Оптические материалы: X , 100108. https://doi.org/10.1016/j.omx.2021.100108
https://library.fiveable.me/ap-chem/unit-1/photoelectron-spectroscopy/study-guide/Xx7nwanr96Uzt1zSvwRA
https://www.pnnl.gov/explainer-articles/photoelectron-spectroscopy
Рид, К.Л. (1998). Угловые распределения фотоэлектронов. Ежегодный обзор физической химии , 2003 (54), 397–424. http://dx.doi.org/10.1016/j.jaci.2012.05.050
https://byjus.com/chemistry/photoelectron-spectrum/

Об авторе

Джиоти Башьял

Джоти Башьял — увлеченный исследователь, работающий в области вычислительной химии. Она аспирант Центрального химического факультета Трибхуванского университета. Как писатель, она любит творческое письмо и верит в тяжелую работу с позитивным настроем.

Фотоэлектронная спектроскопия — Химия LibreTexts

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 1837

Фотоэлектронная спектроскопия включает измерение кинетической энергии фотоэлектронов для определения энергии связи, интенсивности и углового распределения этих электронов и использования полученной информации для изучения электронной структуры молекул. Он отличается от обычных методов спектроскопии тем, что он обнаруживает электроны, а не фотоны для изучения электронной структуры материала.

Введение

Фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС) представляет собой измерение энергии фотоэлектронов, испускаемых твердыми телами, газами или жидкостями в результате фотоэлектрического эффекта. В зависимости от источника энергии ионизации ПЭС можно соответственно разделить на ультрафиолетовую фотоэлектронную спектроскопию (УФС) и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (РФЭС). Источником излучения для ИБП является газоразрядная лампа на инертных газах, обычно гелиевая газоразрядная лампа. Для XPS, также называемого электронной спектроскопией для химического анализа (ESCA), источником является рентгеновское излучение высокой энергии (1000–1500 эВ). Кроме того, в зависимости от источника энергии ионизации, ПЭС может зондировать либо валентные, либо остовные электроны. ИБП, в котором используется энергия ультрафиолетовых лучей (<41 эВ), будет достаточно только для выброса электронов с валентных орбиталей, в то время как рентгеновские лучи высокой энергии, используемые в XPS, могут выбрасывать электроны из ядра и атомных орбиталей (рис. 1).

Рисунок 1. Схема для ИБП и XPS. Иллюстрирует выброс электронов соответственно из валентных электронов и остовных электронов. ¹

Дополнительная информация об XPS и UPS обсуждается в модуле «Фотоэлектронная спектроскопия: применение», который включает обсуждение методов исследования обоих этих спектроскопических методов и их сравнение.

Фотоэлектрический эффект

Чтобы понять принципы фотоэлектронной спектроскопии, необходимо применить фотоэффект. Фотоэлектрический эффект заключается в том, что электроны могут быть отброшены от поверхности твердого тела электромагнитным излучением. Выброшенные электроны называются фотоэлектронами.

Рис. 2. Схема фотоэффекта. Входящий свет попадает на поверхность твердого тела, вызывая выброс фотоэлектрона.

Первоначально известный как эффект Герца, фотоэлектрический эффект впервые наблюдал Генрих Герц в 1887 году, когда Герц заметил, что искры легче прыгают между двумя заряженными поверхностями, освещенными светом. Наблюдение Герца в конечном итоге привело к фотоэлектрическому закону Эйнштейна; кинетическая энергия испущенного фотоэлектрона равна

\[E_k = h\nu — E_I \label{1}\]

где h — постоянная Планка, ν — частота ионизирующего света, а E _I — энергия ионизации, которая является синонимом связывания электрона энергия, электрона. Термин фотоэлектрический эффект рассматривается исключительно при обсуждении твердых тел. Поскольку PES можно использовать для измерения энергии твердых тел, жидкостей и газов, термин фотоионизация или фотоэмиссия лучше отражает принципы PES. Фотоионизация — это процесс, при котором молекула (М) ионизируется пучком фотонов, в результате чего молекула теряет электрон: 9{+}}(E_{int}) + e \label{2} \]

Этот процесс фотоионизации соответствует трехступенчатой модели. Трехэтапная модель разбивает процесс фотоионизации на три независимых этапа:

Молекула поглотит фотон, в результате чего энергия фотона будет передана электронам молекулы, которые будут возбуждены.
Возбужденный электрон переместится на поверхность молекулы. На этом этапе возбужденный электрон движется, он может сталкиваться или не сталкиваться с другими частицами. Любые возбужденные электроны, которые сталкиваются с частицей, теряют энергию.
Возбужденный электрон вырвется с поверхности молекулы в вакуум, где его и обнаружат.

Процесс фотоионизации может происходить только в том случае, если фотон имеет энергию большую, чем энергия, которая удерживает электрон на молекуле, что является самым низким потенциалом ионизации. Если есть избыточная энергия после того, как произошла ионизация, то избыточная энергия будет в форме кинетической энергии. При преобразовании уравнения 1 энергия ионизации будет представлять собой разницу между энергией фотона (hv) и кинетической энергией фотоэлектрона (Ek). Эти две переменные, энергия фотона и кинетическая энергия, измеряются спектрометром PE. Таким образом, с помощью ПЭС можно измерить энергии основного и возбужденного состояний после потери электрона нейтральной молекулой, определяемой приведенной выше химической формулой.

Рисунок 3. Основной процесс фотоионизации, показывающий различные потенциалы ионизации. Измерение кинетической энергии равно hv-(I _p + E _int), поскольку оно представляет собой избыточную энергию после фотоионизации, где E _int — внутренняя энергия. ⁴

Энергия ионизации

Энергия ионизации, также известная как энергия связи электрона, определяемая с помощью фотоэлектронной спектроскопии, дает наиболее подробную количественную информацию об электронной структуре органических и неорганических молекул. Ионизация определяется переходами из основного состояния нейтральной молекулы в ионное состояние (уравнение 2). Существует два типа энергии ионизации: адиабатическая и вертикальная энергия ионизации. Адиабатическая энергия ионизации молекулы определяется как минимальное количество энергии, необходимое для выброса электрона из нейтральной молекулы. Дополнительно можно назвать разность между энергией основного колебательного состояния нейтральной молекулы и положительного иона. Второй тип: энергия вертикальной ионизации учитывает любые дополнительные переходы между основным и возбужденным колебательным состоянием нейтральной молекулы. Энергия вертикальной ионизации является наиболее вероятным переходом. Принцип Франка-Кондона объясняет относительную интенсивность колебательных полос для фотоионизационных переходов.

Теорема Купмана, которая утверждает, что отрицательное значение собственного значения занятой орбитали из расчета Хартри-Фока равно энергии вертикальной ионизации ионного состояния, образованного фотоионизацией молекулы. По теореме Купермана показано, что энергии ионизации напрямую связаны с энергиями молекулярных орбиталей; однако у теоремы Купмана есть ограничения.

В процессе фотоионизации выброс электрона приведет к образованию положительного иона (M ⁺). Энергия, необходимая для выброса электрона, известна как энергия ионизации или энергия связи электрона. В целом энергия ионизации будет зависеть от расположения электронов, а не от ядра молекулы. Поскольку электроны располагаются на орбиталях, окружающих атомное ядро, энергия ионизации будет выше или ниже в зависимости от того, находятся ли электроны в ядре или в валентной оболочке. Очевидно, что остовным электронам, которые находятся ближе к ядру, потребуется больше энергии для выбрасывания. Кроме того, каждый химический элемент имеет разное количество протонов в ядре, что приводит к уникальному набору энергий ионизации для каждого элемента. При использовании фотоэлектронной спектроскопии энергия ионизации определяется путем вычитания энергии входящего фотона из измеренной кинетической энергии выбитого электрона. Таким образом, можно использовать PES для определения химических элементов в неизвестном образце на основе наблюдаемых энергий ионизации в спектре PE.

Местоположение выброшенного электрона во многом определяет тип используемой фотоэлектронной спектроскопии. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) используется для выбрасывания электронов из ядра или валентной оболочки. Образец, используемый в XPS, сначала будет помещен в камеру сверхвысокого вакуума, чтобы предотвратить поглощение фотонов и испускаемых электронов газами. Затем образец будет бомбардироваться рентгеновскими лучами, вызывающими выброс электронов. Энергии выбитых электронов будут измеряться их рассеянием в электрическом поле. Из-за вакуумной среды образца XPS нельзя использовать для жидкостей. Кроме того, XPS предоставит информацию о степенях окисления для любых элементов, присутствующих в образце, поскольку энергии ионизации остовных электронов немного выше, когда присутствует степень окисления.

ИБП работает по тому же принципу, что и XPS, но использует фотоны, испускаемые газоразрядной лампой в ультрафиолетовом диапазоне спектра. {2S+1}\) используется для определения различий в начальном и конечном состояниях для спектральных переходов. Первый тип, расщепление спиновых орбит, является чисто эффектом начального состояния, который возникает при фотоионизации, если электрон удаляется из вырожденной подоболочки. Кроме того, расщепление спиновой орбиты никогда не произойдет для s-орбиталей, поскольку оно зависит от удаления электрона из вырожденной подоболочки. Спектр PE будет представлять расщепление спиновых орбит для p-, d- и f-орбиталей в виде дублетов для XPS. Интенсивность пиков дублетов будет зависеть от значения J в члене Рассела-Сондерса. Например, энергия связи для дублета с более низким значением J даст наибольшую интенсивность. Кроме того, из-за ядерного экранирования величина спин-орбитального расщепления будет уменьшаться по мере удаления от ядра. Другим типом расщепления является мультиплетное расщепление, которое возникает при взаимодействии между неспаренным электроном, образованным выброшенным фотоэлектроном, и уже существовавшим ранее неспаренным электроном. Это может привести к образованию множества конечных состояний, образующихся во время фотоионизации. Например, рассмотрим трехэлектронный атом лития. Основное состояние 1s 9{-}\]

В целом возникающая разность энергий известна как мультиплетное расщепление, которое приводит к многопиковой огибающей в спектре PE. Наконец, ян-теллеровское расщепление произойдет, когда симметрия молекулы будет нарушена фотоионизацией.

Фотоэлектронные приборы

Все фотоэлектронные спектрометры должны состоять из трех компонентов. Первый представляет собой источник возбуждения, используемый для облучения образца с высвобождением электронов. Второй — это анализатор энергии электронов, который будет рассеивать испускаемые фотоэлектроны в соответствии с их соответствующей кинетической энергией. Наконец, детектор. Кроме того, спектрометр должен иметь среду высокого вакуума, которая предотвратит рассеяние электронов частицами газа. Эти различные компоненты фотоэлектронных спектрометров доступны во многих различных формах, которые обсуждаются в модуле «Фотоэлектронная спектроскопия: применение». Блок-схема базового ПЭ-спектрометра приведена ниже:

Рис. 4: Блок-схема спектрометра PE.

Пример фотоэлектронного спектра, полученного с помощью PE-спектрометра, показан на рисунке 5. Этот график показывает распределение кинетической энергии излучаемого фотона, полученное с помощью анализатора энергии электронов. полученная энергия связи электронов.

Ссылки

Рабале Дж. В., Принципы ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии, Wiley, New York, 1977
Хюфнер С., Фотоэлектронная спектроскопия: принципы и приложения, Springer, Берлин; Нью-Йорк, 2003 г.
Харрис, Д., Симметрия и спектроскопия: введение в колебательную и электронную спектроскопию, Dover Publications, New York, 1989
Гош П.К., Введение в фотоэлектронную спектроскопию, Wiley, New York, 1983
Бриггс Д., Справочник по рентгеновской и ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии, Heyden, London, 1978
Бок, Х. ; Моллере, стр. J.Chem. Образовательный 1974 , 51, 506-514
James, T. J. Chem. Образовательный 1971 , 48, 712-718

Проблемы

Какой источник излучения используется для выброса остовных электронов?
Опишите, как можно использовать PES для расчета энергии ионизации молекулы.
Опишите фотоэффект.

Ответы

Источник рентгеновского излучения.
PES использует заданную энергию фотона для ионизации молекулы. Поскольку избыточная энергия будет в форме кинетической энергии, вычисляемой фотоэлектронным спектрометром, можно рассчитать энергию ионизации молекулы, переписав следующее уравнение: \(E_k = h\nu — E_I\), чтобы решить для \(E_I\), энергии ионизации.
Фотоэлектрический эффект возникает при попадании света на металлическую поверхность; таким образом, вызывая выброс электронов с поверхности металла.