盧瑟福背散射

盧瑟福背散射分析或盧瑟福背散射譜學（Rutherford Backscattering Spectrometry，RBS），有時候被稱為高能離子散射譜學（High-Energy Ion Scattering，HEIS），是一種離子束分析技術。

基本介紹

• 中文名：盧瑟福背散射
• 外文名：Rutherford Backscattering Spectrometry
• 縮寫：RBS
• 領域：近代物理科學
• 定義：一種離子束分析技術
• 又稱：高能離子散射譜學

簡介

盧瑟福背散射分析或盧瑟福背散射譜學（RutherfordBackscatteringSpectrometry，RBS），有時候被稱為高能離子散射譜學（High-Energy Ion Scattering，HEIS），是一種離子束分析技術，被用在材料科學中，用以分析、測量材料的結構和組成。通過將一束確定能量的高能離子束（通常是質子或α粒子）打到待分析材料上，檢測背向反射的離子的能量，即可確定靶原子的種類、濃度和深度分布。

歷史

阿爾法粒子散射的實驗完成於1909年。在那時代，原子被認為類比於梅子布丁（物理學家約瑟夫·湯姆孫提出的），負電荷（梅子）分散於正電荷的圓球（布丁）。假若這梅子布丁模型是正確的，由於正電荷完全散開，而不是集中於一個原子核，庫侖位勢的變化不會很大，通過這位勢的阿爾法粒子，其移動方向應該只會有小角度偏差。

在盧瑟福的指導下，漢斯·蓋革和歐內斯特·馬斯登發射阿爾法粒子射束來轟擊非常薄、只有幾個原子厚度的金箔紙。然而，他們得到的實驗結果非常詭異，大約每8000個阿爾法粒子，就有一個粒子的移動方向會有很大角度的偏差（甚至超過 90°）；而其它粒子都直直地通過金箔紙，偏差幾乎在2°到3°以內，甚至幾乎沒有偏差。從這結果，盧瑟福斷定，大多數的質量和正電荷，都集中於一個很小的區域（這個區域後來被稱作“原子核”）；電子則包圍在區域的外面。當一個（正價）阿爾法粒子移動到非常接近原子核，它會被很強烈的排斥，以大角度反彈。原子核的小尺寸解釋了為什麼只有極少數的阿爾法粒子被這樣排斥。

盧瑟福對這奇異的結果感到非常驚異。正如同他後來常說的：“這就好像你朝一張衛生紙射出一枚15噸的炮彈，炮彈卻彈回來打中你一樣。”

盧瑟福計算出原子核的尺寸應該小於 。至於其具體的數值，盧瑟福無法從這實驗決定出來。

微分截面

盧瑟福計算出來的微分截面是

其中， 是截面， 是立體角，q是阿爾法粒子的電荷量，Q是散射體的電荷量， 是真空電容率，E 是能量， 是散射角度。

原子核最大尺寸

假設阿爾法粒子正面碰撞於原子核。阿爾法粒子所有的動能（ ），在碰撞點，都被轉換為勢能。在那一剎那，阿爾法粒子暫時是停止的。從阿爾法粒子到原子核中心的距離 b是原子核最大尺寸。套用庫侖定律，

其中，m是質量，v₀是初始速度。

重新編排，

阿爾法粒子的質量是 ，電荷量是 ，初始速度是 ，金的電荷量是 。將這些數值代入方程，可以得到撞擊參數（真實半徑是 ）。這些實驗無法得到真實半徑，因為阿爾法粒子沒有足夠的能量撞入 27fm半徑內。盧瑟福知道這問題。他也知道，假若阿爾法粒子真能撞至 7.3 fm半徑，直接地擊中金原子核，那么，在高撞擊角度（最小撞擊參數 b），由於位勢不再是庫侖位勢，實驗得到的散射曲線的樣子會從雙曲線改變為別種曲線。盧瑟福沒有觀察到別種曲線，顯示出金原子核並沒有被擊中。所以，盧瑟福只能確定金原子核的半徑小於27 fm 。

1919 年，在盧瑟福實驗室進行的另一個非常類似的實驗，物理學家發射阿爾法粒子於氫原子核，觀察到散射曲線顯著地偏離雙曲線，意示位勢不再是庫侖位勢。從實驗數據，物理學家得到撞擊參數或最近離距（closest approach）大約為3.5fm 。更進一步的研究，在盧瑟福實驗室，發射阿爾法粒子於氮原子核和氧原子核，得到的結果，使得詹姆斯·查德威克和工作同仁確信，原子核內的作用力不同於庫侖斥力。

套用

現今，套用這些年累積的散射原理與技術，盧瑟福背散射譜學能夠偵側半導體內的重金屬雜質。實際上，這技術也是第一個在月球使用的實地分析技術。在勘察者任務（surveyor mission）降落於月球表面後，盧瑟福背散射譜學實驗被用來收集地質資料。

彈性反衝探測分析技術是一種離子束分析技術，被用在材料科學中，用以分析、測量固體或薄膜材料中某種元素的深度分布。 使用加速器將某一能量的離子束打到待測樣品上，離子與靶固體中的某種元素的原子發生彈性碰撞，一般是由庫侖力造成的。通過入射離子的動能、彈性碰撞反應截面、散射離子損失的能量等參數，可以檢測待測原子在樣品中不同深度的富集程度，即不同深度處某種原子所占的比例。

參見

• 盧瑟福散射
  
• 彈性反衝探測分析
  
• 湯姆孫散射
  
• 散射理論