Đo phổ tán xạ ngược Rutherford

Rutherford backscattering spectrometry (RBS) là một kỹ thuật phân tích được sử dụng trong khoa học vật liệu. Đôi khi được gọi là high-energy ion scattering (HEIS) spectrometry, RBS được sử dụng để xác định được cấu trúc và thành phần vật liệu bằng cách đo tán xạ ngược của một chùm tia ion năng lượng cao (thường là proton hoặc hạt alpha) va chạm lên mẫu.

Thí nghiệm Geiger–Marsden

Rutherford backscattering phổ được đặt tên theo  Ernest Rutherford, một nhà vật lý học đôi khi được xem như cha đẻ của vật lý hạt nhân. Rutherford giám sát một loạt các thí nghiệm được thực hiện bởi Hans Geiger và Ernest Marsden giữa năm 1909 và 1914, nghiên cứu sự tán sắc của hạt alpha qua lá kim loại. Trong khi cố gắng để loại bỏ đi "các hạt lạ" mà họ cho là bị gây ra bởi một sự không hoàn hảo của nguồn alpha, Rutherford đề xuất Marsden cố gắng đo backscattering từ một lá vàng mẫu. Theo mô hình nguyên tử-sau đó gọi là mô hình bánh pudding mận, trong đó các điện tử âm phân bố trong một vùng điện tử dương khuếch tán, sự tán sắc của các hạt alpha năng lượng positive cao lý ra sẽ không tồn tại. Thay vào đó, khi Marsden đặt vị trí máy dò trên cùng một bên của lá vàng, ông ngay lập tức phát hiện tín hiệu tán sắc đang chú ý.

Nguyên lý cơ bản

Chúng ta mô tả tán xạ ngược Rutherford backscattering như một  elastic, hard-sphere collision giữa một hạt có động năng lớn từ chùng tia tới (đầu đạn) và một hạt đứng yên nằm trong mẫu cao (mục tiêu). Elastic ở đây có nghĩa là không có năng lượng chuyển giao từ hạt tới và hạt đứng yên trong lúc va chạm, và trạng thái của hạt đứng yên không thay đổi. (Ngoại trừ một số lượng nhỏ momentum được bỏ qua.)
Lưu ý rằng các tương tác hạt nhân nói chung là không phải elastic, bởi vì một va chạm có thể dẫn đến một phản ứng hạt nhân, với việc phóng thích một lượng năng lượng đáng kể. Nuclear reaction analysis  (NRA) rất hữu ích cho phát hiện các nguyên tố nhẹ. Tuy nhiên, đây lại không phải Rutherford scattering.

Phép đo thành phần và độ sâu

Năng lượng mất đi của một backscattered ion phụ thuộc vào hai quá trình: năng lượng bị mất trong phân tán sự kiện với mẫu hạt nhân, và năng lượng để mất nhỏ góc tán từ các mẫu điện tử. Quá trình đầu tiên là phụ thuộc vào sự phân tán qua phần của hạt nhân và do đó trên khối lượng của nó và số nguyên tử. Cho phép đo góc, các hạt nhân của hai yếu tố khác nhau do đó sẽ phân tán sự cố ion đến mức độ khác nhau và với nguồn năng lượng khác nhau, sản xuất riêng đỉnh trên một N(E) âm mưu của đo đếm so với năng lượng. Những đỉnh núi là đặc trưng của các yếu tố trong việc cung cấp một phương tiện của phân tích các thành phần của một mẫu bằng cách kết hợp rải rác nguồn năng lượng để biết phân tán cắt ngang. Tương đối nồng độ có thể được đo đỉnh cao của những đỉnh núi cao.

Structural measurements: blocking and channeling

Để hoàn toàn hiểu các tương tác của một chùm hạt nhân tới và một cấu trúc tinh thể, trước hết cần thấu hiểu hai khái niệm then chốt: blocking và channeling.
Khi một chùm của ion với các quỹ đạo song song va vào một nguyên tử mục tiêu, scattering off that atom sẽ ngăn chặn va chạm trong một vùng hình nóng "phía sau" mục tiêu tuỳ theo chùm tiêu. Điều này xảy ra vì các thế đẩy của atom mục tiêu đã bẻ cong các quỹ đạo ion gần nhau khỏi đường ban đầu, và được gọi là blocking. 
Khi một ion tán sắc ở sâu bên trong một mẫu, sau đó nó có thể tái tán sắc với một nguyên tử thứ hai, tạo ra vùng nón ngăn chặn thứ hai trên hướng của quỹ đạo tán sắc. Điều này có thể được phát hiện bởi thay đổi một cách cẩn thận thay đổi góc detection tuỳ theo góc tới.
Channeling được quan sát khi các chùm tới xếp theo một trục đối xứng chính của tinh thể. Hạt nhân tới nào tránh va chạm với bề mặt nguyên tử thì bị loại khỏi va chạm với tất cả các nguyên tử sâu hơn trong mẫu, do sự blocking bởi lớp nguyên tử đầu tiên. Khi khoảng cách giữa các nguyên tử lớn hơn so với bán kính của blocked nón, các ion đến có thể xâm nhập nhiều lần vào khoảng cách giữa các nguyên tử mà không bị backscattered. Điều này có thể dẫn đến một sự giảm mạnh của tín hiệu  backscattered quan sát khi chùm tia tới hướng theo một trục đối xứng, cho phép xác định cấu trúc tinh thể của một mẫu. 

Độ nhạy bề mặt 

Trong khi RBS thường được dùng để đo thành phần khối và cấu trúc của một mẫu, nó có thể đạt được một số thông tin về cấu trúc và thành phần của bề mặt mẫu. Khi tín hiệu được channeled để loại bỏ phần tín hiệu bulk, thao tác cẩn thận góc tới và góc detection góc có thể được dùng để xác định vị trí tương đối của vài lớp của nguyên tử đầu tiên, lợi dụng blocking effects.