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卢瑟福背散【摘要】卢瑟福背散射分析（RBS ）是一种对离子束进行分析的方法，其主要优点是能对材料表层的成分作纵向分析，并且无需材料的标准样品就能作定量分析。
本报告主要介绍了RBS 的分析原理、实验装置，并且对实验谱图和数据作了简单分析，重点是对实验谱图进行了能量刻度的标定以及计算薄膜的厚度。
【关键词】RBS 分析原理【引言】背散射分析就是在一束单能的质子、粒子或其他重离子束轰击固体表面时,通过探测卢瑟福背散射（库伦弹性散射、散射角大于90度）离子产额随能量的分布（能谱）确定样品中元素的种类（质量数）、含量及深度分布。
因此背散射分析通常被称为卢瑟福背散射谱学RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry).【实验原理】当比靶核轻的入射离子能量amu MeV E amu keV /1/100≤≤范围，靶原子核外电子对入射离子的屏蔽作用不大，且离子和靶原子核的短程相互作用（核力）影响也可以忽略时，离子在固体中沿直线运动，离子主要通过与电子相互作用而损失能量，直到与原子核发生库仑碰撞被散射后又沿直线回到表面。
这个过程就称为离子的背散射过程。
描述离子背散射过程的三个基本物理概念主要有两体弹性碰撞的运动学因子、微分散射截面、固体的阻止截面。
一． 运动学因子和质量分辨率：运动学因子的定义：01E E K =其中0E 是入射粒子能量（动能），1E 是散射粒子能量（动能）。
根据动量与能量守恒定律，可以推导得到：212111⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==M mM m cos θM m sin θE E Ｋ (1-1)由运动学因子公式可以看出：当入射离子种类（m ），能量（0E ）和探测角度（θ）一定时，1E 与M 成单值函数关系。
所以，通过测量一定角度散射离子的能量就可以确定靶原子的质量数M 。
这就是背散射定性分析靶元素种类的基本原理。
实验题目：卢瑟福散射实验实验目的：通过卢瑟福核式模型，说明α粒子散射实验，验证卢瑟福散射理论；并学习应用散射实验研究物质结构的方法。
实验原理: α粒子散射理论（1）库仑散射偏转角公式设原子核的质量为M ，具有正电荷+Ze ，并处于点O ，而质量为m ，能量为E ，电荷为2e 的α粒子以速度ν入射，当α粒子进入原子核库仑场时，一部分动能将改变为库仑势能。
设α粒子最初的的动能和角动量分别为E 和L ，由能量和动量守恒定律可知：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⋅=∙∙222202241ϕπεr r m r Ze E （1） L b m mr ==∙∙νϕ2 （2） 由（1）式和（2）式可以证明α粒子的路线是双曲线，偏转角θ与瞄准距离b 有如下关系：202242Ze Eb ctg πεθ= （3） 设EZe a 0242πε=，则a b ctg 22=θ （4） 设靶是一个很薄的箔，厚度为t ，面积为s ，则图3.3-1中的db ds π2=，一个α粒子被一个靶原子散射到θ方向、θθd -范围内的几率,也就是α粒子打在环ds 上的概率,即θθθππd s a sdb b s ds 2sin 82cos2232== (5) 若用立体角Ωd 表示,由于θθθπθθπd d d 2cos 2sin 42sin2==Ω则 有θθd s d a s ds 2sin 1642Ω= (6)为求得实际的散射的α粒子数，以便与实验进行比较，还必须考虑靶上的原子数和入射的α粒子数。
由于薄箔有许多原子核,每一个原子核对应一个这样的环,若各个原子核互不遮挡,设单位体积内原子数为0N ,则体积st 内原子数为st N 0，α粒子打在这些环上的散射角均为θ，因此一个α粒子打在薄箔上，散射到θ方向且在Ωd 内的概率为s t N sds ⋅0。
若单位时间有n 个α粒子垂直入射到薄箔上，则单位时间内θ方向且在Ωd 立体角内测得的α粒子为：2sin 42414220200θπεΩ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⋅=d E Ze t nN s t N s ds n dn （7） 经常使用的是微分散射截面公式，微分散射截面Ω⋅=Ωtd N n dn d d 01)(θσ 其物理意义为，单位面积内垂直入射一个粒子（n=1）时，被这个面积内一个靶原子（10=t N ）散射到θ角附近单位立体角内的概率。
利用卢瑟福沟道背散射模拟研究合金与石英的辐照效应晶体材料的辐照效应是核能、半导体技术、微电子技术以及航空航天等领域关注的重要课题之一。
然而,离子辐照引起的级联碰撞过程发生在皮秒量级,目前实验上无法对该过程进行直接观测。
近年来计算机技术的发展使得我们对该过程可以进行模拟重现,进而对辐照损伤效应的微观机理开展深入研究。
卢瑟福沟道背散射技术是研究材料表面(_～μm深度处)辐照损伤的重要手段,目前该技术已经广泛地应用于离子辐照损伤分析领域。
然而,由于离子辐照导致的损伤结构十分复杂,这使得我们很难从实验测得的沟道背散射能谱中直接了解其反映的损伤结构。
本工作基于计算机模拟技术,利用两体碰撞近似,开发了一个能够模拟任意损伤结构中沟道背散射能谱的计算程序;结合分子动力学模拟,提出了一种晶体的辐照损伤后的沟道背散射模拟方法;并应用于高浓固溶体合金和石英等材料,开展了辐照损伤效应的微观机理研究。
本论文工作主要包括三个部分:第一部分,基于两体碰撞近似模型,开发了一个能够模拟任意损伤结构中沟道背散射能谱的计算程序RBSADEC(Rutherford Backscaterring Spectrometry in Arbitrary DEfected Crystals)。
该程序可以从单独的输入文件中读入被模拟材料的结构(由一系列原子坐标描述),这使得该程序可以适用于任何结构的材料,并能与其它原子尺度的模拟手段结合,如分子动力学方法、蒙特卡洛方法和动力学蒙卡方法等。
RBSADEC可实现以下功能:(I)模拟离子在任意结构材料中的射程;(II)模拟任意结构材料中的沟道背散射能谱。
利用RBSADEC程序研究了晶体Ni中不同类型缺陷(点缺陷和长程缺陷)对沟道背散射产额的贡献,发现Ni中的长程缺陷(包括位错、层错等)比点缺陷对沟道背散射的产额影响更大;同时结果表明长程缺陷对沟道背散射的影响主要通过使沟道离子偏离沟道而导致较大的背散射产额,而非沟道离子与缺陷直接作用所致;并解释了实验中观测到较高的背散射产额,而从高分辨扫描透射电子显微镜(high-resolution scanning transmission electron microscopy,HTEM)图像中仅仅观测到较低浓度缺陷的原因。
卢瑟福背散射分析（RBS）实验吴玉龙核科学与技术学院201121220011一、实验目的1.了解RBS分析原理，认识实验装置2.通过对选定的样品进行分析实验，初步掌握RBS分析方法，谱图分析及相关的应用二、实验装置RBS实验装置主要由四部分组成：1.加速器（一定能量离子束的的产生装置）2.靶室（离子散射和探测的地方）3.背散射离子的探测和能量分析装置4.放射源RBS三、实验原理背散射分析就是在一束单能的质子、(粒子或其他重离子束轰击固体表面时,通过探测卢瑟福背散射（弹性、散射角大于90度）离子的能量分布（能谱）和产额确定样品中元素的种类（质量数）、含量及深度分布。
当入射离子能量远大于靶中原子的结合能(约10ev量级)，并低于与靶原子发生核反应的能量(一般100kev<E<1Mev)时，离子在固体中沿直线运动，入射离子主要通过与电子相互作用而损失能量，直到与原子核发生库仑碰撞被散射后又沿直线回到表面。
在这个背散射过程中包含四个基本物理概念。
它们是：两体弹性碰撞的运动学因子K、微分散射截面、固体的阻止截面、能量歧离，这四个基本概念是背散射分析的理论基础和应用的出发点也是限制其应用的最终因素。
1）运动学因子和质量分辨率运动学因子K=E1/E0，其中E0是入射粒子能量，E1是散射粒子能量。
由于库仑散射是弹性散射，则根据动量守恒和能量守恒可得，22011cos sin 121⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎠⎞⎜⎝⎛−==M m M m M m E E K θθ由运动学因子公式可以看出：当入射离子种类（m ），能量（E 0）和探测角度（θ）一定时，E 1与M 成单值函数关系。
所以，通过测量一定角度散射离子的能量就可以确定靶原子的质量数M 。
这就是背散射定性分析靶元素种类的基本原理。
质量分辨率ΔM 定义1011011()(−∆=∆•=∆•=∆dMdK E E E KE d dM E dE dM M RBS 的质量分辨率10)(−=dM dK E E M δδ，δE 是RBS 探测器系统的能量分辨率，也就是可分辨的背散射离子最小的能量差别。
卢瑟福散射公式的推导及谈α粒子散射实验的应用意义摘要1909年卢瑟福和他的助手盖革（H.Geiger）及学生马斯登（E.Marsden）在做α粒子和薄箔散射实验时观察到绝大部分α粒子几乎是直接穿过铂箔，但偶然有大约1/8000α粒子发生散射角大于90°。
这一实验结果当时在英国被公认的汤姆逊原子模型根本无法解释。
在汤姆逊模型中正电荷分布于整个原子，根据对库仑力的分析，α粒子离球心越近，所受库仑力越小，而在原子外，原子是中性的，α粒子和原子间几乎没有相互作用力。
在球面上库仑力最大，也不可能发生大角度散射。
卢瑟福等人经过两年的分析，于1911年提出原子的核式模型，原子中的正电荷集中在原子中心很小的区域内，而且原子的全部质量也集中在这个区域内。
原子核的半径近似为10，约为原子半径的千万分之一。
α粒子散射实验是物理学史上具有里程碑意义的重要实验之一,评为“最美丽”的十大物理实验之三。
由α散射实验现象确立了原子的核式结构，为现代物理的发展奠定了基石。
从20世纪60年代中后期首先应用卢瑟福背散射于月球表面元素成分分析至今，成为成为一种常规的杂质成分、含量及深度分布、膜厚度分析手段。
本文首先介绍原子的的大小和质量，然后介绍原子有核模型提出的历史过程和α粒子散射实验的过程，根据α粒子散射实验中不可忽视的大角度散射引出卢瑟福原子模型，运用相关数学手段和理论力学的基本知识具体详细的推导出库伦散射公式和卢瑟福散射公式，指出了行星模型的意义和困难，并阐述了α粒子散射实验实际应用意义和α粒子试验仪在天体物理中的应用，在最后对相关数学手段和理论力学的相关知识进行了详细的介绍。
关键词：α粒子散射实验；库仑散射公式；卢瑟福散射公式；行星模型；原子稳定性AbstractIn 1909，Rutherford and his assistant Geiger (H. Geiger) and students Marsden (E. Marsden) doing α particles and thin foil scattering experiments observed that most of the α-particles is almost directly through the platinum foil But occasionally, about 1/8000α particles in the scattering angle greater than 90 °. The results of this experiment was to be accepted in the United Kingdom Thomson atomic model could not explain. Chiang Kai-shek in the Thomson model of charge distribution in the atom, based on the analysis of Coulomb force, α par ticles from the hot core closer, suffered the smaller Coulomb force, and in the atom, the atom is neutral, α particles and atoms almost no interaction. Coulomb force in the largest sphere, large angle scattering can not occur. Rutherford, who after two years of analysis, in 1911 proposed the nuclear atom-type model, the positive charge concentration of atoms at the atomic center of a very small area, and the atoms of all the quality of focus within the region. Radius of the nucleus is approximately 10, approximately ten-millionth of atomic radius. α-particle scattering experiment is a milestone in the history of physics in one of the important experiments, as the "most beautiful" of the top ten physics experiments III. Established by the α scattering behavio r of atoms and nuclear structure, the development of modern physics have laid a foundation. 60 years from the late 20th century, first applied Rutherford backscattering elemental composition analysis on the lunar surface so far as to become a routine impurity content and depth distribution, film thickness analysis tool. This paper describes the size and quality of the atom, then introduces a nuclear atom model proposed by the historical process and α-particle scattering process, according to α-particle scattering experiment can not be ignored in the large angle scattering leads to Rutherford atomic model, the use of relevant mathematics tools and basic knowledge of theoretical mechanics specific detailed Coulomb scattering formula is derived and the Rutherford scattering formula, that the planetary model of the significance and difficulties, and described the practical application of α-particle scattering experiment significance and α particle tester in astrophysics application of mathematical methods in the final of the relevant knowledge and theoretical mechanics, a detailed description.Keywords：Alpha particle Scattering experiments; Coulomb scattering formula; Rutherford formula; planetary model; Atomic stability目录绪论-------------------------------------------------------- 1第一章背景知识-------------------------------------------- 31.1 电子的发现------------------------------------------------------- 3 1.2 电子的电荷和质量-------------------------------------------------- 4 1.3 阿伏伽德罗常数---------------------------------------------------- 4 1.4 原子的大小------------------------------------------------------- 4第二章原子核式结构理论提出的历史过程----------------------- 62.1 汤姆孙在发现电子后提出的原子结构设想------------------------------ 6 2.2 开尔文原子模型---------------------------------------------------- 6 2.3 汤姆孙的葡萄干—布丁原子模型-------------------------------------- 7 2.4 勒那德的原子模型-------------------------------------------------- 7 2.5 长岗的土星原子模型------------------------------------------------ 8 2.6 尼克尔森的初始物质原子结构--------------------------------------- 9第三章α粒子散射实验及大角度散射现象的思考--------------- 103.1 α粒子散射实验--------------------------------------------------- 10 3.2 大角度散射现象引出的思考和核式模型的由来------------------------- 11第四章库伦散射公式及卢瑟福散射公式的推导------------------ 144.1 库伦散射公式----------------------------------------------------- 14 4.2 卢瑟福散射公式--------------------------------------------------- 16第五章卢瑟福理论的实验验证------------------------------- 185.1 卢瑟福散射公式的拓展--------------------------------------------- 18 5.2 卢瑟福理论的实验验证--------------------------------------------- 19 5.3 关于小角与180°处的卢瑟福公式----------------------------------- 21第六章α粒子散射实验的应用意义--------------------------- 226.1 对于α粒子散射实验的回顾和一些说明------------------------------ 22 6.2 用α粒子散射实验估计原子核大小--------------------------------- 22 6.3 α粒子散射实验的新应用——卢瑟福背散射分析---------------------- 24 6.4 粒子散射实验给我们今天留下的财富 ----------------------------- 24第七章行星模型的意义和困难-------------------------------- 267.1 行星模型的意义--------------------------------------------------- 26 7.2 行星模型的困难--------------------------------------------------- 26参考文献--------------------------------------------------- 28附录------------------------------------------------------- 29附录A 中心力---------------------------------------------------- 29附录B 极坐标------------------------------------------------------ 30附录C 两体问题--------------------------------------------------- 33绪论原子物理学是研究原子结构，运动规律及相互作用的物理学的一个分支，主要研究：原子的电子结构、原子光谱、原子之间或与其他物质的碰撞过程和相互作用。
实验报告卢瑟福背散射分析（RBS）实验姓名：学号：院系：物理学系实验报告一、实验名称卢瑟福背散射分析（RBS）实验二、实验目的1、了解RBS实验原理、仪器工作结构及应用；2、通过对选定的样品的实验，初步掌握RBS实验方法及谱图分析；3、学习背散射实验的操作方法。
三、RBS实验装置主要包括四个部分：1、一定能量离子束的的产生装置----加速器2、离子散射和探测的地方----靶室3、背散射离子的探测和能量分析装置4、放射源RBS图1 背散射分析设备示意图1.离子源2.加速器主体3.聚焦系统4. 磁分析器5.光栅6. 靶室7.样品8.真空泵9.探测器10.前置放大器11.主放大器12. 多道分析器13. 输出四、实验原理当一束具有一定能量的离子入射到靶物质时，大部分离子沿入射方向穿透进去，并与靶原子电子碰撞逐渐损失其能量，只有离子束中极小部分离子与靶原子核发生大角度库仑散射而离开原来的入射方向。
入射离子与靶原子核之间的大角度库仑散射称为卢瑟福背散射(记为RBS)。
用探测器对这些背散射粒子进行侧量，能获得有关靶原子的质量、含量和深度分布等信息。
入射离子与靶原子碰撞的运动学因子、散射截面和能量损失因子是背散射分析中的三个主要参数。
图 3 大角度散射示意图（实验室坐标系）图2 弹性散射（质心坐标系）1、 运动因子K 和质量分辨率 1）运动学因子K当一定能量(对应于一定速度)的离子射到靶上时，入射离子和靶原子发生弹性碰撞，人射离子的部分能量传给了被撞的靶原子，它本身则被散射，散射的方向随一些参量而变化，如图2(质心坐标系)所示.设Z 1， Z 2分别为入射离子及靶原子的原子序数，m 、 M 分别为它们的原子质量，e 为单位电子电荷量，v 0为入射离子的速度，b 为碰撞参量或瞄准距离(即入射轨迹延伸线与靶原子核的距离)，x 为散射角.由分析力学可以推导出。
此式实际上不是一个入射离子而是一束禽子，且b 值有大有小。
rbs卢瑟福背散射光谱
RBS（Rutherford Backscattering Spectroscopy）是一种自然科
学中的研究技术，利用高能束流（例如离子束）与试样碰撞而产生的背散射来分析样品的物理和结构性质。
而RBS卢瑟福
背散射光谱则是一种利用RBS技术进行表面成分分析的方法。
RBS技术的原理是，在束流与样品碰撞过程中，离子束与样
品中原子核之间发生散射作用，散射角度与碰撞的原子核的质量和能量有关。
其中卢瑟福背散射是一种特殊的散射过程，背散射指的是入射粒子从样品背面发生散射，而不是穿透样品。
通过测量入射粒子的背散射角度和能量变化，可以得到样品中原子核的信息，如原子核的质量、浓度和分布等。
因此，RBS 卢瑟福背散射光谱可以用于研究样品的表面成分、薄膜厚度、晶体结构和晶格缺陷等信息。
RBS卢瑟福背散射光谱在材料科学、固态物理、核物理等领
域有广泛的应用，常用于研究材料薄膜、半导体器件、涂层材料等的成分分析和特性表征。
题目：元素深度分布的卢瑟福背散射(RBS)分析元素深度分布的卢瑟福背散射(RBS)分析摘要卢瑟福背散射（RBS）分析是一种应用非常广泛的离子束分析技术。
1. 前言卢瑟福背散射分析是固体表面层和薄膜的简便、定量、可靠、非破坏性分析方法,是诸多的离子束分析技术中应用最为广泛的一种微分析技术。
其理论基础是在Rutherford、Gerger和Marsden发现了新原子模型（1909-1913）以后的一些年份里逐渐形成的。
在早期的应用中，背散射分析技术主要是用在一些与原子核有关的研究中，一般是通过分析背散射离子束来检测靶的玷污。
1967年背散射技术首次成功的应用于月球土壤成分分析，这是在非核领域第一个公开发表的实际应用例子。
发展至今，背散射技术已经成为一种十分成熟的离子分析技术。
它具有方法简单、可靠、快速（一般只需要30分钟）、无需标准样品就能得到定量分析结果、不必破坏样品宏观结构就能得到深度分布信息等独特优点。
背散射分析技术在固体物理、表面物理、材料科学、微电子学等领域得到广泛应用。
它是分析薄膜界面特性、固体表面层元素成分、杂质含量和元素深度分布以及化合物的化学配比不可缺少的分析手段。
此外，背散射分析与其他核核分析方法组合应用于同一样品，能获得更多的信息。
我国自七十年代起开始这方面的研究。
随着不断发展，背散射分析技术的应用范围也在不断的扩大。
例如，在考古领域，背散射分析可以研究一些大气中对环境不利的因素。
T.Huthwelker等提高利用卢瑟福背散射分析来研究大气浮质中痕量酸性气体（如HCl，HBr，SO2）的相互作用，这种相互作用与全球变暖、臭氧层耗损、酸雨等环境污染问题有很大的关系。
Ulrich K.Krieger等曾利用卢瑟福背散射测量易发挥物质在近表面层区的元素分布。
背散射分析技术分析速度快，能得出表面下不同种类原子的深度分布，并能进行定量分析。
结合沟道效应还能研究单晶样品的晶体完美性。
但它的深度分辨率不够高（一般为100～200埃），因而不能对最表面的原子层进行研究。
卢瑟福背散射谱，简称背散射分析，是一种谱学分析技术，用于样品中元素的定性、定量和深度分布分析。
这种技术的理论基础是快速运动的入射离子受静止的靶原子核的库仑排斥作用而发生散射。
通过对散射离子能量的测量，可以确定靶原子的质量；通过对散射产额的测量，可以定量地确定靶原子的含量；通过对散射离子的能谱测量，可以确定靶原子的深度分布。
背散射谱分析方法主要用于：
1. 定性分析：通过测量不同元素的背散射谱，可以确定样品中存在的元素种类。
因为不同元素的原子核大小、电荷数和原子序数都不同，这些因素会影响背散射谱的形状和能量分布，因此通过比对标准谱库，可以确定样品中存在的元素种类。
2. 定量分析：通过测量背散射谱的强度，可以确定样品中各元素的含量。
因为背散射谱的强度与元素的原子序数和密度有关，因此通过比对标准样品，可以计算出各元素的含量。
3. 深度分布分析：通过测量不同能量的背散射谱，可以确定样品中元素的深度分布。
因为不同能量的背散射谱对应于不同深度的元素分布，因此通过测量一系列不同能量的背散射谱，可以绘制出元素在样品中的深度分布图。
背散射谱分析技术的应用范围非常广泛，包括材料科学、生物学、环境科学、能源科学等领域。
例如，在材料科学中，背散射谱可以用于研究材料的微观结构和成分分布；在生物学中，背散射谱可以用于研究生物组织的成分和结构；在环境科学中，背散射谱可以用于研究土壤、水体等环境中的元素分布和污染情况；在能源科学中，背散射谱可以用于研究燃料电池、太阳能电池等能源转换装置中的元素组成和性能。
