[科普中国]-非弹性电子散射-

非弹性电子散射，是指具有一定能量的电子与物体发生非弹性碰撞的过程。被散射电子的波长改变（见电子衍射），损失的能量导致物体内部的某些激发效应，其表现形式可以是背散射电子、二次电子、俄歇电子、标识和连续X射线、热辐射、紫外线和可见光区域的光子等，也可以是等离子激元的激发。

非弹性散射高能快中子射入物质，与构成物质的原子核（靶核）发生作用时，先被靶核吸收形成复合核，而后再放出较低能量的中子，靶核吸收了能量处于激发态。这一作用称为非弹性散射。

非弹性散射是指一种粒子动能不守恒的散射，出现在化学、核物理及粒子物理中，与其相对的是弹性散射，散射前后粒子动能守恒。

在非弹性散射中，部分粒子的能量增加或是减少了。非弹性散射以往会视为和动力学中非弹性碰撞有关，但二者的概念有很大的差异：非弹性碰撞是指碰撞前后的总动能不守恒。一般而言，由非弹性碰撞产生的散射会是非弹性散射，不过因为弹性碰撞会使二个粒子交换能量，由弹性碰撞产生的散射也可能是非弹性散射，例如康普顿散射。

若粒子能量的变化远小于粒子本身的能量，一般会称为准弹性散射。

非弹性散射常出现在电子和光子的交互作用中。当高能的光子碰撞到自由电子，因此转移能量，称为康普顿散射，若是一个具有相对论能量的电子碰撞到可见光或红外线的光子，电子会将能量转换给光子，称为逆康普顿散射。

弹性散射和非弹性散射又称弹性碰撞和非弹性碰撞。在碰撞中,如两粒子间只有动能的交换，粒子的类型及其内部运动状态并无改变,则这种碰撞称为弹性散射。如在高能物理e+e─→e+e、e+p─→e+p、p+p─→p+p诸过程中，始末态粒子的类型及其内部运动状态并无改变，分别称之为高能电子－电子、电子－质子、质子－质子弹性散射。如除有动能交换外，粒子内部状态在碰撞过程中有所改变或转化为其他粒子，则称为非弹性散射。如电子－原子碰撞中所引起的原子电离和激发，又如高能ee碰撞产生μμ,ττ或各种强子等都是非弹性散射过程。

电子－质子-内部结构模型图图册

散射过程的研究对于了解许多物理现象有很重要的意义。例如E.卢瑟福对α粒子被物质散射的研究，发现原子中存在着比原子本身尺度小得多、但几乎集中了整个原子质量的原子核；И.М.夫兰克、G.L.赫兹等人所进行的电子与原子碰撞的实验证明了N.玻尔关于原子有定态的假设；在宇宙射线、气体放电、气体分子碰撞等现象中，散射过程也占着重要地位；目前世界上建造的高能加速器，就是利用基本粒子间散射过程来研究基本粒子的性质及其相互作用和相互转化的规律。

概念编辑

在散射过程中，若参于散射的两粒子内部能量与结构不发生变化，则称这种散射为弹性散射。在弹性散射过程中，系统能服从能量守恒定律和动量守恒定律。反之，只要有一个参与散射的粒子发生内部结构或能量的变化（如激发），就称这种散射为非弹性散射。[1]

原理电子与物体相互作用时，把能量转移给物体中的某个电子，称单电子激发。此时，如物体的传导电子获得能量而逸出体外，即产生次级电子，其能量一般小于50电子伏。其中，如原子的核外电子在入射电子束作用下被轰击出来并离开原子表面，即产生二次电子；如原子的内层电子获得能量而离开原子，外层电子填补内层轨道的空位时，将以标识X射线的形式释放其能量，或使一个外层电子逸出体外，即发射一个俄歇电子。

对于某些绝缘体和半导体材料，入射电子的能量损失可以使价电子带的电子升入导带,形成一个电子-空穴对。当电子和空穴复合时，以光子的形式释放其能量，称阴极射线发光效应，其能量的大小等于物体导带与价电子带间的能隙。

电子与物体间的相互作用也可同时影响许多电子，激发起整个导电电子气的集体振荡，这些振荡称等离子激元。

电子在原子的库仑场中运动，经受非弹性碰撞所损失的能量可以转换成连续X射线，称轫致辐射，所发射X射线的能量范围从零到等于入射电子的能量。电子所损失的能量也可以激发物体点阵的振动，转变为热辐射。此外，电子在物体内经受一次或多次非弹性碰撞后，本身可以逸出体外，这种电子称背散射电子。

应用非弹性电子散射过程所产生的各种辐射可作为成分或结构分析的信号。次级电子和背散射电子是扫描电子显微镜中成像的主要信号，它们可以提供试样表面形貌和元素分布信息。标识X射线是X射线波谱仪和能谱仪用以进行成分分析的信号，俄歇电子用于10埃以内表面层的成分分析。阴极发光光谱可提供带间能隙的信息，连续X射线谱携带了试样中平均原子序数的信息,有助于对由轻元素构成的试样进行定量分析的校正，等离子体激元提供了试样中价电子浓度的信息。

当电子穿透薄膜试样时，非弹性散射所导致的电子能量损失谱也有助于进行试样的成分和结构分析，它和非弹性散射过程所发射的辐射是互补的。低能区（低于50电子伏）的能量损失源自等离子激元的激发，高能区（高于50电子伏）源自原子内层电子的电离。高能区的电子能量损失谱称电离损失谱，用其进行元素分析的方法称为电离损失谱法，或离子化损失谱法。与X射线波谱和能谱相比，电离损失谱更宜于作轻元素分析。电离损失谱有时有几十至几百电子伏的起伏，称扩展电离损失谱精细结构谱，它和扩展X射线吸收精细结构谱相类似，能提供近邻原子间距、化学配位数和晶体学配位数的信息，有助于研究非晶态薄膜的结构。电子能量损失谱分析技术和应用尚在发展中1。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学