Спектрометрия обратного рассеяния Резерфорда (RBS)
Спектрометрия обратного рассеяния Резерфорда (RBS) — это важный аналитический метод, который находит широкое применение в материаловедении. Этот метод, также известный как спектрометрия рассеяния ионов высокой энергии (HEIS), позволяет исследовать структуру и состав различных материалов. Он основан на измерении обратного рассеяния пучка ионов высокой энергии, таких как протоны или альфа-частицы, которые направляются на образец.
Исторический контекст: Эксперимент Гейгера-Марсдена
Метод RBS получил свое название в честь выдающегося физика Эрнеста Резерфорда, который считается основоположником ядерной физики. В начале XX века Резерфорд руководил серией экспериментов, проведенных Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом, направленных на изучение рассеяния альфа-частиц на металлических фольгах. Эти эксперименты проводились между 1909 и 1914 годами и стали основой для понимания структуры атома.
В ходе экспериментов Резерфорд предложил Марсдену измерить обратное рассеяние альфа-частиц от золотой фольги. Согласно тогдашней модели атома, известной как «пудинг с изюмом», предполагалось, что положительный заряд атома распределен равномерно. Однако результаты эксперимента показали, что альфа-частицы, проходя через фольгу, иногда отклоняются под большими углами, что было неожиданным. Резерфорд описал это событие как «самое невероятное, что когда-либо случалось со мной в жизни».
Эти результаты привели к революционному выводу о том, что положительный заряд атома сосредоточен в его ядре, а не равномерно распределен. Это открытие стало основой для создания модели атома Резерфорда, в которой положительное ядро окружено электронами, вращающимися вокруг него.
Основные принципы спектрометрии RBS
Спектрометрия обратного рассеяния Резерфорда основывается на упругом столкновении между высокоэнергетическими ионами и неподвижными частицами в образце. Упругое столкновение означает, что во время взаимодействия энергия не передается между частицами, и состояние неподвижной частицы не изменяется. Однако ядерные взаимодействия могут приводить к ядерным реакциям, что делает анализ таких реакций полезным для обнаружения легких элементов.
При увеличении энергии падающих частиц кулоновский барьер может быть преодолен, что приводит к взаимодействиям, которые могут быть как упругими, так и неупругими. В случае упругого рассеяния, энергия рассеянного иона уменьшается от начальной энергии, что можно описать с помощью кинематического фактора. Этот фактор зависит от массы и угла рассеяния ионов.
Инструменты и оборудование для RBS
Современные системы RBS обычно состоят из трех основных компонентов: источника ионов, ускорителя и детектора. В коммерческих системах используются две основные схемы: одноступенчатые и двухступенчатые. Одноступенчатые системы включают источник ионов, подключенный к ускорительной трубке с высоким положительным потенциалом. Двухступенчатые системы, или тандемные ускорители, позволяют достигать более высоких энергий ионов, что делает их более эффективными для анализа.
Детекторы, используемые для измерения энергии обратно рассеянных ионов, обычно представляют собой кремниевые поверхностно-барьерные детекторы. Эти детекторы работают на основе создания пар электрон-дырка, которые возникают при взаимодействии ионов с материалом детектора. Энергия ионов, достигающих детектора, может быть измерена, что позволяет анализировать состав и структуру образца.
Анализ состава и измерение глубины
Одним из ключевых аспектов RBS является возможность анализа состава материалов и измерения глубины. Потеря энергии обратно рассеянного иона зависит от двух процессов: рассеяния с ядрами образца и взаимодействия с электронами. Эти процессы приводят к образованию пиков на графиках, которые можно использовать для определения состава образца.
При анализе многослойных образцов или образцов с изменяющимся составом можно определить относительные концентрации элементов, измеряя высоту пиков на графиках. Однако важно отметить, что RBS не позволяет определить химическую структуру.