[科普中国]-卢瑟福背散射

卢瑟福背散射分析或卢瑟福背散射谱学（Rutherford Backscattering Spectrometry，RBS），有时候被称为高能离子散射谱学（High-Energy Ion Scattering，HEIS），是一种离子束分析技术。

简介卢瑟福背散射分析或卢瑟福背散射谱学（RutherfordBackscatteringSpectrometry，RBS），有时候被称为高能离子散射谱学（High-Energy Ion Scattering，HEIS），是一种离子束分析技术，被用在材料科学中，用以分析、测量材料的结构和组成。通过将一束确定能量的高能离子束（通常是质子或α粒子）打到待分析材料上，检测背向反射的离子的能量，即可确定靶原子的种类、浓度和深度分布。1

历史阿尔法粒子散射的实验完成于1909年。在那时代，原子被认为类比于梅子布丁（物理学家约瑟夫·汤姆孙提出的），负电荷（梅子）分散于正电荷的圆球（布丁）。假若这梅子布丁模型是正确的，由于正电荷完全散开，而不是集中于一个原子核，库仑位势的变化不会很大，通过这位势的阿尔法粒子，其移动方向应该只会有小角度偏差。

在卢瑟福的指导下，汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登发射阿尔法粒子射束来轰击非常薄、只有几个原子厚度的金箔纸。然而，他们得到的实验结果非常诡异，大约每8000个阿尔法粒子，就有一个粒子的移动方向会有很大角度的偏差（甚至超过 90°）；而其它粒子都直直地通过金箔纸，偏差几乎在2°到3°以内，甚至几乎没有偏差。从这结果，卢瑟福断定，大多数的质量和正电荷，都集中于一个很小的区域（这个区域后来被称作“原子核”）；电子则包围在区域的外面。当一个（正价）阿尔法粒子移动到非常接近原子核，它会被很强烈的排斥，以大角度反弹。原子核的小尺寸解释了为什么只有极少数的阿尔法粒子被这样排斥。

卢瑟福对这奇异的结果感到非常惊异。正如同他后来常说的：“这就好像你朝一张卫生纸射出一枚15吋的炮弹，炮弹却弹回来打中你一样。”

卢瑟福计算出原子核的尺寸应该小于 。至于其具体的数值，卢瑟福无法从这实验决定出来。

微分截面卢瑟福计算出来的微分截面是

其中， 是截面， 是立体角，q是阿尔法粒子的电荷量，Q是散射体的电荷量， 是真空电容率，E 是能量， 是散射角度。

原子核最大尺寸假设阿尔法粒子正面碰撞于原子核。阿尔法粒子所有的动能（ ），在碰撞点，都被转换为势能。在那一刹那，阿尔法粒子暂时是停止的。从阿尔法粒子到原子核中心的距离 b是原子核最大尺寸。应用库仑定律，

其中，m是质量，v0是初始速度。

重新编排，

阿尔法粒子的质量是 ，电荷量是 ，初始速度是 ，金的电荷量是 。将这些数值代入方程，可以得到撞击参数（真实半径是 ）。这些实验无法得到真实半径，因为阿尔法粒子没有足够的能量撞入 27fm半径内。卢瑟福知道这问题。他也知道，假若阿尔法粒子真能撞至 7.3 fm半径，直接地击中金原子核，那么，在高撞击角度（最小撞击参数 b），由于位势不再是库仑位势，实验得到的散射曲线的样子会从双曲线改变为别种曲线。卢瑟福没有观察到别种曲线，显示出金原子核并没有被击中。所以，卢瑟福只能确定金原子核的半径小于27 fm 。

1919 年，在卢瑟福实验室进行的另一个非常类似的实验，物理学家发射阿尔法粒子于氢原子核，观察到散射曲线显著地偏离双曲线，意示位势不再是库仑位势。从实验数据，物理学家得到撞击参数或最近离距（closest approach）大约为3.5fm 。更进一步的研究，在卢瑟福实验室，发射阿尔法粒子于氮原子核和氧原子核，得到的结果，使得詹姆斯·查德威克和工作同仁确信，原子核内的作用力不同于库仑斥力。

应用现今，应用这些年累积的散射原理与技术，卢瑟福背散射谱学能够侦侧半导体内的重金属杂质。实际上，这技术也是第一个在月球使用的实地分析技术。在勘察者任务（surveyor mission）降落于月球表面后，卢瑟福背散射谱学实验被用来收集地质资料。

弹性反冲探测分析技术是一种离子束分析技术，被用在材料科学中，用以分析、测量固体或薄膜材料中某种元素的深度分布。 使用加速器将某一能量的离子束打到待测样品上，离子与靶固体中的某种元素的原子发生弹性碰撞，一般是由库仑力造成的。通过入射离子的动能、弹性碰撞反应截面、散射离子损失的能量等参数，可以检测待测原子在样品中不同深度的富集程度，即不同深度处某种原子所占的比例。

参见卢瑟福散射

弹性反冲探测分析

汤姆孙散射

散射理论

本词条内容贡献者为:

文峰 - 教授 - 海南大学