卢瑟福背散射

卢瑟福背散射 (RBS) 是一种用于材料科学的分析技术。 有时称为高能离子散射 (HEIS) 光谱法，RBS 用于通过测量撞击样品的高能离子束（通常是质子或 α 粒子）的反向散射来确定材料的结构和成分。

卢瑟福背散射以卢瑟福勋爵的名字命名，卢瑟福勋爵是一位有时被称为核物理学之父的物理学家。 1909 年至 1914 年间，卢瑟福监督了汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登进行的一系列实验，研究 alpha 粒子在金属箔中的散射。 在试图消除他们认为是由 alpha 源缺陷引起的杂散粒子时，Rutherford 建议 Marsden 尝试测量金箔样本的反向散射。 根据当时占主导地位的原子李子布丁模型，其中小的负电子通过扩散的正区域传播，高能正 α 粒子的反向散射应该是不存在的。 当 alpha 粒子几乎不受阻碍地穿过箔时，至多应该发生小的偏转。 相反，当马斯登将检测器定位在铝箔的同一侧作为 α 粒子源时，他立即检测到一个明显的反向散射信号。 根据卢瑟福的说法，这是我一生中发生过的最不可思议的事件。 这几乎就像你用一枚 15 英寸的炮弹朝一张薄纸发射一枚炮弹，然后它又回来击中你一样不可思议。

卢瑟福将盖革-马斯登实验的结果解释为与单个大质量正粒子发生库仑碰撞的迹象。 这使他得出结论，原子的正电荷不能扩散，而必须集中在一个巨大的核心：原子核中。 计算表明，实现这种偏转所需的电荷大约是电子电荷的 100 倍，接近金的原子序数。 这导致了原子的卢瑟福模型的发展，在该模型中，由 Ne 正粒子或质子组成的正原子核被 N 轨道带电电子包围，以平衡核电荷。 该模型最终被玻尔原子所取代，并结合了量子力学的一些早期结果。

如果入射粒子的能量充分增加，就会超过库仑势垒，入射粒子和撞击粒子的波函数会重叠。 在某些情况下，这可能会导致核反应，但相互作用通常保持弹性，尽管散射截面可能会随着能量的变化而剧烈波动，并且不再可通过分析计算。 这种情况称为弹性（非卢瑟福）背散射光谱法 (EBS)。 最近，通过求解每个相互作用的薛定谔方程，在确定 EBS 散射截面方面取得了很大进展。 然而，对于包含轻元素的矩阵的 EBS 分析，利用实验测量的散射截面数据也被认为是一个非常可靠的选择。

我们将卢瑟福反向散射描述为来自入射光束（射弹）的高动能粒子与位于样本（目标）中的静止粒子之间的弹性硬球碰撞。 这里的弹性是指在碰撞过程中入射粒子和静止粒子之间没有能量传递，静止粒子的状态没有改变。 （除了少量的动量，它被忽略了。）核相互作用通常不是弹性的，因为碰撞可能导致核反应，并释放大量能量。 核反应分析 (NRA) 可用于检测轻元素。 然而，这不是卢瑟福散射。考虑到碰撞的运动学（即动量和动能守恒），散射弹丸的能量 E1 从初始能量 E0 减去：

E 1 = k ⋅ E 0 , {displaystyle E_{1}=kcdot E_{0},}

其中 k 被称为运动学因子，并且

k = ( m 1 cos ⁡ θ 1 ± m 2 2 − m 1 2 ( sin ⁡ θ 1 ) 2 m 1 + m 2 ) 2 , {displaystyle k=left({frac {m_{1 }cos {theta _{1}}pm {sqrt {m_{2}{2}-m_{1}{2}(sin {theta _{1}}) {2}}}}{m_{1}+m_{2}}}右){2},}

其中粒子1为弹丸，粒子2为靶核，θ 1 {displaystyle theta _{1}} 为弹丸在实验室参考系（即相对于观察者）的散射角 ). 当弹丸质量小于目标质量时取正号，否则取负号。

虽然这个方程正确地确定了任何特定散射角（相对于观察者）的散射射弹的能量。