रदरफोर्ड बैकस्कैटरिंग स्पेक्ट्रोमेट्री

रदरफोर्ड बैकस्कैटरिंग(पश्‍चप्रकीर्णन) स्पेक्ट्रोमेट्री {RBS} सामग्री विज्ञान में प्रयुक्त एक विश्लेषणात्मक तकनीक है। कभी-कभी उच्च-ऊर्जा आयन प्रकीर्णन (HEIS) स्पेक्ट्रोमेट्री के रूप में संदर्भित किया जाता है, RBS का उपयोग किसी नमूने पर टकराने वाले उच्च ऊर्जा आयनों (समान्यता प्रोटॉन या अल्फा कण) के किरण के बैकस्कैटरिंग(पश्‍चप्रकीर्णन) को मापकर सामग्री की संरचना और संरचना को निर्धारित करने के लिए किया जाता है।

गीजर-मार्सडेन प्रयोग

Main article: गीजर-मार्सडेन प्रयोग

बायां: अपेक्षित परिणाम: परमाणु के प्लम पुडिंग मॉडल से गुजरने वाले अल्फा कण अबाधित हैं।दाएं: देखे गए परिणाम: कणों का एक छोटा सा हिस्सा विक्षेपित हुआ, जो एक छोटे, केंद्रित धनात्मक आवेश को दर्शाता है।

रदरफोर्ड बैकस्कैटरिंग स्पेक्ट्रोमेट्री का नाम अर्नेस्ट रदरफोर्ड के नाम पर रखा गया है, एक भौतिक विज्ञानी जिसे कभी-कभी परमाणु भौतिकी का जनक कहा जाता है। रदरफोर्ड ने 1909 और 1914 के बीच धातु की फ़ॉइल(पन्नी) के माध्यम से अल्फा कणों के बिखरने का अध्ययन करते हुए हंस गीजर और अर्नेस्ट मार्सडेन द्वारा किए गए प्रयोगों की एक श्रृंखला का पर्यवेक्षण किया। आवारा कणों को खत्म करने का प्रयास करते हुए, वे मानते थे कि उनके अल्फा स्रोत में अपूर्णता के कारण, रदरफोर्ड ने सुझाव दिया कि मार्सडेन सोने की फ़ॉइल(पन्नी) के नमूने से बैकस्कैटरिंग(पश्‍चप्रकीर्णन) को मापने का प्रयास करता है। परमाणु के तत्कालीन प्रमुख प्लम-पुडिंग मॉडल के अनुसार, जिसमें छोटे ऋणात्मक इलेक्ट्रॉन एक विसरित धनात्मक क्षेत्र के माध्यम से फैले हुए थे, उच्च-ऊर्जा धनात्मक अल्फा कणों का बैकस्कैटरिंग(पश्‍चप्रकीर्णन) न के बराबर होना चाहिए था। अधिकांश छोटे विक्षेपण होने चाहिए क्योंकि अल्फा कण फ़ॉइल(पन्नी) के माध्यम से लगभग बिना रुके गुजरते हैं। इसके अतिरिक्त, जब मार्सडेन ने संसूचक को फ़ॉइल(पन्नी) के उसी तरफ अल्फा कण स्रोत के रूप में रखा, तो उसने तुरंत एक ध्यान देने योग्य बैकस्कैटर संकेत का पता लगाया। रदरफोर्ड के अनुसार, यह मेरे जीवन की अब तक की सबसे अविश्वसनीय घटना थी। यह लगभग उतना ही अविश्वसनीय था जितना कि आपने टिशू पेपर के एक टुकड़े पर 15 इंच का खोल दागा हो और वह वापस आकर आपसे टकरा गया हो।

रदरफोर्ड ने गीजर-मार्सडेन प्रयोग के परिणाम की व्याख्या एक विशाल धनात्मक कण के साथ कूलम्ब टकराव के संकेत के रूप में की। इसने उन्हें इस निष्कर्ष पर पहुँचाया कि परमाणु का धनात्मक आवेश विसरित नहीं हो सकता है, बल्कि इसके अतिरिक्त एक विशाल कोर: परमाणु नाभिक में केंद्रित होना चाहिए। गणना ने संकेत दिया कि इस विक्षेपण को पूरा करने के लिए आवश्यक आवेश इलेक्ट्रॉन के आवेश का लगभग 100 गुना था, जो सोने की परमाणु संख्या के करीब था। इससे परमाणु के रदरफोर्ड मॉडल का विकास हुआ जिसमें परमाणु आवेश को संतुलित करने के लिए Ne धनात्मक कणों, या प्रोटॉन से बना एक धनात्मक नाभिक, आवेश -e के N कक्षीय इलेक्ट्रॉनों से घिरा हुआ था। इस मॉडल को अंततः बोह्र परमाणु द्वारा हटा दिया गया, जिसमें क्वांटम यांत्रिकी के कुछ शुरुआती परिणाम सम्मलित थे।

यदि आपतित कण की ऊर्जा पर्याप्त रूप से बढ़ जाती है, तो कूलम्ब बाधा पार हो जाती है और घटना और टकराए हुए कणों का तरंग क्रिया का अधिव्यापन हो जाता है। इसके परिणामस्वरूप कुछ कारको में परमाणु अभिक्रिया विश्लेषण हो सकता है, लेकिन प्रायः बातचीत लोचदार बनी रहती है, यद्यपि बिखरने वाले व्यापक-प्रतिनिधित्व ऊर्जा के कार्य के रूप में बेतहाशा उतार-चढ़ाव कर सकते हैं और अब विश्लेषणात्मक रूप से गणना योग्य नहीं हो सकते हैं। इस कारक को लोचदार (गैर-रदरफोर्ड) बैकस्कैटरिंग(पश्‍चप्रकीर्णन) स्पेक्ट्रोमेट्री (EBS) के रूप में जाना जाता है। प्रत्येक बातचीत के लिए श्रोडिंगर समीकरण को हल करके EBS प्रकीर्णन व्यापक-प्रतिनिधित्व को निर्धारित करने में हाल ही में बड़ी प्रगति हुई है। यद्यपि, हल्के तत्वों वाले मेट्रिसेस के EBS विश्लेषण के लिए, प्रयोगात्मक रूप से मापा गया व्यापक-प्रतिनिधित्व डेटा को बिखेरना भी एक बहुत ही विश्वसनीय विकल्प माना जाता है।

मूल सिद्धांत

हम रदरफोर्ड बैकस्कैटरिंग(पश्‍चप्रकीर्णन) का वर्णन घटना किरण (प्रक्षेप्य) से एक उच्च गतिज ऊर्जा कण और नमूने (लक्ष्य) में स्थित एक स्थिर कण के बीच एक लोचदार, कठोर-गोले की टक्कर के रूप में करते हैं। इस संदर्भ में लोचदार का अर्थ है कि टक्कर के दौरान घटना कण और स्थिर कण के बीच कोई ऊर्जा स्थानांतरित नहीं होती है, और स्थिर कण की स्थिति नहीं बदलती है। (इसके अतिरिक्त कि संवेग की एक छोटी मात्रा के लिए, जिसे अनदेखा कर दिया जाता है।) नाभिकीय अन्योन्य क्रियाएँ समान्यता लोचदार नहीं होती हैं, क्योंकि टक्कर के परिणामस्वरूप परमाणु अभिक्रिया हो सकती है, जिसमें काफी मात्रा में ऊर्जा निकलती है। प्रकाश तत्वों का पता लगाने के लिए परमाणु अभिक्रिया विश्लेषण (NRA) उपयोगी है। यद्यपि, यह रदरफोर्ड प्रकीर्णन नहीं है। टकराव की गतिकी (अर्थात, गति और गतिज ऊर्जा का संरक्षण) को ध्यान में रखते हुए, बिखरे हुए प्रक्षेप्य की ऊर्जा E₁ प्रारंभिक ऊर्जा E₀ से कम हो जाती है:

$E_{1}=k\cdot E_{0},$

जहाँ k को गतिज(गतिज) कारक के रूप में जाना जाता है, और

$k=\left({\frac {m_{1}\cos {\theta _{1}}\pm {\sqrt {m_{2}^{2}-m_{1}^{2}(\sin {\theta _{1}})^{2}}}}{m_{1}+m_{2}}}\right)^{2},$

जहाँ कण 1 प्रक्षेप्य है, कण 2 लक्ष्य नाभिक है, और $\theta _{1}$ संदर्भ के प्रयोगशाला ढाँचे में प्रक्षेप्य का प्रकीर्णन कोण है (अर्थात, पर्यवेक्षक के सापेक्ष)। धन चिह्न तब लिया जाता है जब प्रक्षेप्य का द्रव्यमान लक्ष्य से कम होता है, अन्यथा ऋण चिन्ह लिया जाता है।

जबकि यह समीकरण किसी विशेष प्रकीर्णन कोण (पर्यवेक्षक के सापेक्ष) के लिए बिखरे हुए प्रक्षेप्य की ऊर्जा को सही ढंग से निर्धारित करता है, यह इस तरह की घटना को देखने की संभावना का वर्णन नहीं करता है। इसके लिए हमें बैकस्कैटरिंग घटना के विभेद के व्यापक-प्रतिनिधित्व की आवश्यकता है:

${\frac {d\omega }{d\Omega }}=\left({\frac {Z_{1}Z_{2}e^{2}}{4E_{0}}}\right)^{2}{\frac {1}{\left(\sin {\theta /2}\right)^{4}}},$

कहाँ $Z_{1}$ और $Z_{2}$ घटना और लक्ष्य नाभिक के परमाणु क्रमांक हैं। यह समीकरण संदर्भ के द्रव्यमान ढाँचे के केंद्र में लिखा गया है और इसलिए यह प्रक्षेप्य या लक्ष्य नाभिक के द्रव्यमान का कार्य नहीं है।

संदर्भ के प्रयोगशाला ढाँचे में प्रकीर्णन कोण $\theta _{1}$ संदर्भ के बड़े पैमाने के ढाँचे के केंद्र में प्रकीर्णन कोण के समान नहीं है $\theta$ (यद्यपि RBS प्रयोगों के लिए वे समान्यता बहुत समान होते हैं)। यद्यपि, भारी आयन प्रक्षेप्य आसानी से हल्के आयनों को पीछे हटा सकते हैं, जो कि ज्यामिति सही होने पर, लक्ष्य से बाहर निकाला जा सकता है और पता लगाया जा सकता है। यह लोचदार हटना(रिकॉइल) का पता लगाने (ERD, पर्यायवाची ERDA, FRS, HFS) तकनीक का आधार है। RBS प्रायः एक He किरण का उपयोग करता है जो आसानी से H को प्रतिक्षेप करता है, इसलिए नमूनों की हाइड्रोजन आइसोटोप सामग्री की जांच के लिए एक साथ RBS/ERD प्रायः किया जाता है (यद्यपि 1 MeV से ऊपर He किरण के साथ H ERD रदरफोर्ड नहीं है: देखें। ERD के लिए संदर्भ के प्रयोगशाला ढाँचे में बिखरने वाला कोण संदर्भ के द्रव्यमान ढाँचे के केंद्र से काफी अलग है।

भारी आयन हल्के आयनों से बैकस्कैटर नहीं कर सकते: यह गतिज रूप से प्रतिबंधित है। गतिज कारक वास्तविक रहना चाहिए, और यह संदर्भ के प्रयोगशाला ढाँचे में अनुमत बिखरने वाले कोण को सीमित करता है। ERD में बिखरे हुए किरण से संकेत को प्रतिबंधित करने के लिए प्रतिक्षेप संसूचक को प्रतिक्षेप कोण पर रखना प्रायः सुविधाजनक होता है। बिखरी हुई आयन की तीव्रता हमेशा प्रतिक्षेप की तीव्रता की तुलना में बहुत बड़ी होती है (रदरफोर्ड प्रकीर्णन व्यापक-प्रतिनिधित्व सूत्र अनंत तक जाता है क्योंकि प्रकीर्णन कोण शून्य हो जाता है), और ERD के लिए बिखरे हुए किरण को समान्यता किसी तरह माप से बाहर करना पड़ता है।

रदरफोर्ड प्रकीर्णन व्यापक-प्रतिनिधित्व सूत्र में विलक्षणता निश्चित रूप से अभौतिक है। यदि प्रकीर्णन व्यापक-प्रतिनिधित्व शून्य है तो इसका अर्थ है कि प्रक्षेप्य लक्ष्य के करीब कभी नहीं आता है, लेकिन इस कारक में यह कभी भी नाभिक के आसपास के इलेक्ट्रॉन बादल में प्रवेश नहीं करता है। ऊपर दिखाए गए प्रकीर्णन व्यापक-प्रतिनिधित्व के लिए शुद्ध कूलम्ब सूत्र को इस स्क्रीनिंग(छलावरण) प्रभाव के लिए सही किया जाना चाहिए, जो अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है क्योंकि प्रक्षेप्य की ऊर्जा कम हो जाती है (या, समतुल्य, इसका द्रव्यमान बढ़ जाता है)।

जबकि बड़े-कोण प्रकीर्णन केवल उन आयनों के लिए होता है जो लक्षित नाभिकों को बिखेरते हैं, नमूना इलेक्ट्रॉनों से अकुशल लघु-कोण बिखराव भी हो सकता है।इसके परिणामस्वरूप आपतित आयनों की गतिज ऊर्जा में धीरे-धीरे कमी आती है, क्योंकि वे नमूने में प्रवेश करते हैं, जिससे आंतरिक नाभिक का बैकस्कैटरिंग(पश्‍चप्रकीर्णन) कम प्रभावी घटना ऊर्जा के साथ होता है। इसी प्रकार बैकस्कैटर्ड(पीछे बिखरा हुआ) आयन इलेक्ट्रॉनों को ऊर्जा खो देते हैं क्योंकि वे नमूने से बाहर निकलते हैं। किसी निश्चित दूरी से गुजरने के बाद जिस मात्रा में आयन ऊर्जा कम हो जाती है उसे सामग्री की रोक शक्ति (कण विकिरण) के रूप में जाना जाता है और यह इलेक्ट्रॉन वितरण पर निर्भर है। यह ऊर्जा हानि तय की गई दूरी के संबंध में लगातार बदलती रहती है, जिससे रोकने की शक्ति को व्यक्त किया जाता है

$S(E)=-{dE \over dx}.$

उच्च ऊर्जा वाले आयनों के लिए निरोधी शक्ति समान्यता किसके समानुपाती होती है? ${\frac {Z_{2}}{E}}$; यद्यपि, रोकने की शक्ति की सटीक गणना किसी भी सटीकता के साथ करना मुश्किल है।

रोक शक्ति (ठीक से, रोक बल) में प्रति इकाई लंबाई में ऊर्जा की इकाइयाँ होती हैं। यह समान्यता पतली परत इकाइयों में दिया जाता है, जो कि eV /(atom/cm²) है चूंकि इसे प्रयोगात्मक रूप से पतली परतो पर मापा जाता है, जिसकी मोटाई हमेशा द्रव्यमान प्रति इकाई क्षेत्र के रूप में मापी जाती है, सामग्री के घनत्व को निर्धारित करने की समस्या से बचा जा सकता है जो मोटाई के कार्य के रूप में भिन्न हो सकता है। रोक शक्ति अब लगभग 2% सभी सामग्रियों के लिए जानी जाती है, देखें:

उपकरण

एक एकल चरण 2 MeV रैखिक वैन डे ग्राफ कण त्वरक, यहाँ रखरखाव के लिए खोला गया

एक RBS उपकरण में समान्यता तीन आवश्यक घटक सम्मलित होते हैं:

• एक आयन स्रोत, समान्यता अल्फा कण (He²⁺ आयन) या कम सामान्यतः प्रोटॉन।
• एक रेखीय कण त्वरक घटना आयनों को उच्च ऊर्जा में त्वरित करने में सक्षम है, समान्यता 1-3 MeV की सीमा में।
• एक संसूचक कुछ कोणों पर पश्चप्रकीर्ण आयनों की ऊर्जा को मापने में सक्षम है।

वाणिज्यिक RBS प्रणाली में दो सामान्य स्रोत/त्वरण व्यवस्था का उपयोग किया जाता है, जो एक या दो चरणों में काम करता है। एक चरण प्रणाली में आयन स्रोत पर लागू एक उच्च धनात्मक क्षमता के साथ त्वरण नली से जुड़ा एक He+ स्रोत होता है, और त्वरण नली के अंत में जमीन होती है। यह व्यवस्था सरल और सुविधाजनक है, लेकिन प्रणाली में बहुत अधिक वोल्टेज लगाने की कठिनाई के कारण 1 MeV से अधिक की ऊर्जा प्राप्त करना कठिन हो सकता है।

दो-चरण प्रणालियाँ, या अग्रानुक्रम त्वरक, He⁻ के स्रोत से शुरू होते हैं आयन और धनात्मक टर्मिनल को त्वरण नली के केंद्र में स्थित करते हैं। धनात्मक टर्मिनल में सम्मलित एक स्ट्रिपर तत्व आयनों से इलेक्ट्रॉनों को निकालता है जो जो He⁻ आयनों को He⁺⁺ आयनों में परिवर्तित करता है। इस प्रकार आयन टर्मिनल की ओर आकर्षित होने लगते हैं, गुजरते हैं और धनात्मक हो जाते हैं, और जब तक वे जमीन पर नली से बाहर नहीं निकल जाते, तब तक वे पीछे हट जाते हैं। यह व्यवस्था, यद्यपि अधिक जटिल है, कम लागू वोल्टेज के साथ उच्च त्वरण प्राप्त करने का लाभ है: 750 kV के लागू वोल्टेज के साथ एक विशिष्ट अग्रानुक्रम त्वरक 2 MeV से अधिक आयन ऊर्जा प्राप्त कर सकता है।

बैकस्कैटर्ड ऊर्जा को मापने के लिए संसूचक समान्यता सिलिकॉन सतह बाधा संसूचक होते हैं, जो P-N संयोजन बनाने वाले N-प्रकार सब्सट्रेट पर P-प्रकार सिलिकॉन की एक बहुत पतली परत (100 nm) होते हैं। संसूचक तक पहुंचने वाले आयन अपनी कुछ ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों से अप्रत्यास्थ बिखरने के लिए खो देते हैं, और इनमें से कुछ इलेक्ट्रॉन अर्धचालक संयोजी बंध और चालन बंध के बीच ऊर्जा अंतराल को दूर करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं। इसका मतलब है कि संसूचक पर प्रत्येक आयन की घटना कुछ इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़े का उत्पादन करेगी जो आयन की ऊर्जा पर निर्भर है। आयन ऊर्जा का एक प्रभावी माप प्रदान करते हुए, संसूचक में वोल्टेज लगाने और करंट(बिजली) को मापने के द्वारा इन जोड़ियों का पता लगाया जा सकता है। आयन ऊर्जा और उत्पादित इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्मों की संख्या के बीच संबंध संसूचक सामग्री, आयन के प्रकार और वर्तमान माप की दक्षता पर निर्भर करेगा; ऊर्जा संकल्प तापीय उतार-चढ़ाव पर निर्भर है। एक आयन के संसूचक पर आपतित होने के बाद, इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्मों के पुनर्संयोजित होने से पहले कुछ मृत समय होगा जिसमें एक दूसरे आपतित आयन को पहले से अलग नहीं किया जा सकता है।

जंगम संसूचक का उपयोग करके या अधिक व्यावहारिक रूप से कई स्वतंत्र कोशिकाओं में सतह बाधा संसूचक को अलग करके पता लगाने की कोणीय निर्भरता प्राप्त की जा सकती है, जिसे स्वतंत्र रूप से मापा जा सकता है, प्रत्यक्ष (180 डिग्री) पश्च-प्रकीर्णन के आसपास कोणों की कुछ सीमा का आच्छादन किया जा सकता है। घटना किरण की कोणीय निर्भरता को झुकाने योग्य नमूना चरण का उपयोग करके नियंत्रित किया जाता है।

संरचना और गहराई माप

बैकस्कैटर्ड आयन की ऊर्जा हानि दो प्रक्रियाओं पर निर्भर करती है: नमूना नाभिक के साथ बिखरने की घटनाओं में खोई हुई ऊर्जा, और नमूना इलेक्ट्रॉनों से छोटे-कोण बिखरने वाली ऊर्जा खो जाती है। पहली प्रक्रिया नाभिक के बिखरने वाले व्यापक-प्रतिनिधित्व पर और इस प्रकार इसके द्रव्यमान और परमाणु संख्या पर निर्भर है। किसी दिए गए माप कोण के लिए, दो अलग-अलग तत्वों के नाभिक अलग-अलग डिग्री और अलग-अलग ऊर्जा के साथ घटना आयनों को बिखेर देंगे, माप बनाम ऊर्जा के N(E) प्लॉट(कथानक) पर अलग-अलग चोटियों का निर्माण करेंगे। ये चोटियाँ सामग्री में निहित तत्वों की विशेषता हैं, बिखरी हुई ऊर्जाओं को ज्ञात बिखरने वाले व्यापक-प्रतिनिधित्व से मिलान करके नमूने की संरचना का विश्लेषण करने का साधन प्रदान करती हैं। चोटियों की ऊंचाई को मापकर सापेक्ष सांद्रता निर्धारित की जा सकती है।

दूसरी ऊर्जा हानि प्रक्रिया, नमूना इलेक्ट्रॉनों की रोक शक्ति, के परिणामस्वरूप बड़े असतत नुकसान नहीं होते हैं जैसे कि परमाणु टक्करों द्वारा उत्पादित। इसके अतिरिक्त यह इलेक्ट्रॉन घनत्व और नमूने में तय की गई दूरी पर निर्भर एक क्रमिक ऊर्जा हानि बनाता है। यह ऊर्जा हानि आयनों की मापी गई ऊर्जा को कम करेगी जो नाभिक की गहराई पर निर्भर निरंतर तरीके से नमूने के अंदर नाभिक से बैकस्कैटर करती है। परिणाम यह है कि तेज बैकस्कैटर्ड चोटियों के अतिरिक्त N (E) प्लॉट(कथानक) पर ऊर्जा और कोणीय संकल्प द्वारा निर्धारित चौड़ाई के साथ, जब आयन उस तत्व द्वारा घेरी गई गहराई से होकर गुजरते हैं तो शिखर धीरे-धीरे निम्न ऊर्जा की ओर जाते हैं। तत्व जो केवल नमूने के अंदर कुछ गहराई पर दिखाई देते हैं, उनकी चोटी की स्थिति भी कुछ राशि से स्थानांतरित हो जाएगी जो उस दूरी का प्रतिनिधित्व करती है जो आयन को उन नाभिकों तक पहुंचने के लिए पार करना पड़ता था।

व्यवहार में, फिर, एक संरचनागत गहराई प्रोफ़ाइल को RBS N (E) माप से निर्धारित किया जा सकता है। एक नमूने में निहित तत्वों को ऊर्जा स्पेक्ट्रम में चोटियों की स्थिति से निर्धारित किया जा सकता है। गहराई इन चोटियों की चौड़ाई और स्थानांतरित स्थिति से निर्धारित की जा सकती है, और चोटी की ऊंचाई से सापेक्षिक एकाग्रता। यह एक बहुपरत नमूने के विश्लेषण के लिए विशेष रूप से उपयोगी है, उदाहरण के लिए, या एक रचना के नमूने के लिए जो गहराई के साथ अधिक लगातार बदलता रहता है।

इस तरह के माप का उपयोग केवल मौलिक संरचना को निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है; नमूने की रासायनिक संरचना को N(E) प्रोफ़ाइल से निर्धारित नहीं किया जा सकता है। यद्यपि, स्फटिक संरचना की जांच करके RBS के माध्यम से इसके बारे में कुछ सीखना संभव है। ब्लॉकिंग(अवरोधन) और चैनलिंग का लाभ उठाकर इस तरह की स्थानिक जानकारी की जांच की जा सकती है।

संरचनात्मक माप: ब्लॉकिंग(अवरोधन) और चैनलिंग

एक स्फटिकीय संरचना के साथ नाभिक के एक घटना किरण की बातचीत को पूरी तरह से समझने के लिए, दो और प्रमुख अवधारणाओं को समझना आवश्यक है: ब्लॉकिंग(अवरोधन) और चैनलिंग (भौतिकी)।

जब समानांतर प्रक्षेपवक्र वाले आयनों का एक किरण लक्ष्य परमाणु पर पड़ता है, तो उस परमाणु को बिखरने से किरण के सापेक्ष लक्ष्य के पीछे शंकु के आकार के क्षेत्र में टकराव को रोका जा सकेगा। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि लक्ष्य परमाणु की प्रतिकारक क्षमता करीब आयन प्रक्षेपवक्र को उनके मूल पथ से दूर कर देती है, और इसे अवरुद्ध करने के रूप में संदर्भित किया जाता है। मूल परमाणु से L दूरी पर इस अवरुद्ध क्षेत्र की त्रिज्या द्वारा दिया गया है

$R=2{\sqrt {\frac {Z_{1}Z_{2}e^{2}L}{E_{0}}}}$

जब एक आयन एक नमूने के अंदर गहरे से बिखरा हुआ है, तो यह एक दूसरे परमाणु को फिर से बिखेर सकता है, बिखरे हुए प्रक्षेपवक्र की दिशा में एक दूसरा अवरुद्ध शंकु बना सकता है। घटना कोण के सापेक्ष पता लगाने के कोण को ध्यान से बदलकर इसका पता लगाया जा सकता है।

चैनलिंग तब देखी जाती है जब घटना किरण को स्फटिक के प्रमुख समरूपता अक्ष के साथ संरेखित किया जाता है। परमाणुओं की पहली परत द्वारा अवरुद्ध होने के कारण घटना नाभिक जो सतह के परमाणुओं के साथ टकराव से बचते हैं, नमूने में गहरे सभी परमाणुओं के साथ टकराव से बाहर रखा जाता है। जब अवरुद्ध शंकु की त्रिज्या की तुलना में अंतर-परमाण्विक दूरी बड़ी होती है, तो आपतित आयन बिना पश्च-प्रकीर्ण हुए अंतर-परमाण्विक दूरी से कई गुना अधिक प्रवेश कर सकते हैं। इसके परिणामस्वरूप देखे गए बैकस्कैटरेड संकेत की भारी कमी हो सकती है जब घटना किरण समरूपता दिशाओं में से एक के साथ उन्मुख होती है, जिससे नमूना की नियमित स्फटिक संरचना का निर्धारण होता है। चैनलिंग बहुत छोटे ब्लॉकिंग(अवरोधन) त्रिज्या के लिए सबसे अच्छा काम करता है, अर्थात उच्च-ऊर्जा, कम-परमाणु-संख्या वाले आयन जैसे He⁺.

समरूपता दिशा के सापेक्ष घटना के आयन किरण कोण के विचलन के लिए सहिष्णुता अवरुद्ध त्रिज्या पर निर्भर करती है, जिससे स्वीकार्य विचलन कोण आनुपातिक हो जाता है

${\sqrt {\frac {Z_{1}Z_{2}}{E_{0}d}}}$

जबकि एक RBS चोटी की तीव्रता इसकी अधिकांश चौड़ाई में कमी देखी जाती है जब किरण को प्रसारित किया जाता है, बड़ी चोटी के उच्च-ऊर्जा अंत में एक संकीर्ण चोटी प्रायः देखी जाएगी, जो परमाणुओं की पहली परत से सतह के बिखरने का प्रतिनिधित्व करती है। इस चोटी की उपस्थिति RBS मापन के लिए सतह की संवेदनशीलता की संभावना को खोलती है।

विस्थापित परमाणुओं की रूपरेखा

इसके अलावा, जाली क्षति के लिए स्फटिकीय नमूने का विश्लेषण करने के लिए आयनों के चैनलिंग का भी उपयोग किया जा सकता है। यदि लक्ष्य के भीतर परमाणुओं को उनके स्फटिकीय जालक स्थल से विस्थापित कर दिया जाता है, तो इसका परिणाम एक पूर्ण स्फटिक के संबंध में उच्च बैकस्कैटरिंग(पश्‍चप्रकीर्णन) उपज होगा। विश्लेषण किए जा रहे नमूने से स्पेक्ट्रम की तुलना एक पूर्ण स्फटिक से, और जो एक यादृच्छिक (गैर-चैनलिंग) अभिविन्यास (एक अनाकार नमूने से एक स्पेक्ट्रम का प्रतिनिधि) पर प्राप्त किया गया है, में स्फटिकीय क्षति की सीमा निर्धारित करना विस्थापित परमाणुओं के एक अंश के संदर्भ में संभव है। सामग्री के घनत्व से इस अंश को गुणा करना जब असंगत होता है तो विस्थापित परमाणुओं की एकाग्रता के लिए अनुमान भी देता है। जिस ऊर्जा पर बैकस्कैटरिंग(पश्‍चप्रकीर्णन) में वृद्धि होती है, उसका उपयोग उस गहराई को निर्धारित करने के लिए भी किया जा सकता है जिस पर विस्थापित परमाणु हैं और परिणामस्वरूप एक दोष गहराई प्रोफ़ाइलका निर्माण किया जा सकता है।

सतह संवेदनशीलता

जबकि RBS समान्यता एक नमूने की थोक संरचना और संरचना को मापने के लिए प्रयोग किया जाता है, नमूना सतह की संरचना और संरचना के बारे में कुछ जानकारी प्राप्त करना संभव है। जब संकेत को बल्क(थोक) संकेत को हटाने के लिए प्रसारित किया जाता है, तो घटना और पहचान कोण के सावधानीपूर्वक हेरफेर का उपयोग परमाणुओं की पहली कुछ परतों की सापेक्ष स्थिति निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है, जिससे अवरोधक प्रभावों का लाभ उठाया जा सकता है।

एक नमूने की सतह संरचना आदर्श से कई तरीकों से बदली जा सकती है। परमाणुओं की पहली परत बाद की परतों से अपनी दूरी को बदल सकती है (विश्राम); यह थोक (पुनर्निर्माण) की तुलना में एक अलग द्वि-आयामी संरचना ग्रहण कर सकता है; या किसी अन्य सामग्री को सतह पर सोख लिया जा सकता है। इनमें से प्रत्येक कारक का RBS द्वारा पता लगाया जा सकता है। उदाहरण के लिए, किरण को इस तरह संरेखित करके सतह के पुनर्निर्माण का पता लगाया जा सकता है कि चैनलिंग होनी चाहिए, ताकि केवल ज्ञात तीव्रता की सतह चोटी का पता लगाया जा सके। एक उच्च-से-सामान्य तीव्रता या एक व्यापक शिखर इंगित करेगा कि परमाणुओं की पहली परतें नीचे की परतों को अवरुद्ध करने में विफल हो रही हैं, अर्थात सतह का पुनर्निर्माण किया गया है। झुके हुए नमूने के साथ एक समान प्रक्रिया द्वारा आराम का पता लगाया जा सकता है ताकि आयन किरण एक चयनित कोण पर घटना हो ताकि पहली परत के परमाणुओं को एक विकर्ण पर बैकस्कैटरिंग(पश्‍चप्रकीर्णन) को रोकना चाहिए; अर्थात्, उन परमाणुओं से जो नीचे हैं और अवरुद्ध परमाणु से विस्थापित हैं। अपेक्षा से अधिक पश्चप्रकीर्ण उपज इंगित करेगी कि पहली परत दूसरी परत के सापेक्ष विस्थापित हो गई है, या ढीली हो गई है। अपेक्षित स्थिति के सापेक्ष सतह शिखर की स्थिति को बदलते हुए, उनकी विभिन्न संरचना द्वारा सोखना सामग्री का पता लगाया जाएगा।

RBS का उपयोग उन प्रक्रियाओं को मापने के लिए भी किया गया है जो चैनल की सतह की चोटी में परिवर्तन का विश्लेषण करके सतह को बल्क(थोक) से भिन्न रूप से प्रभावित करती हैं। इसका एक प्रसिद्ध उदाहरण फ्रेंकेन, मैरी और वैन डेर वीन द्वारा सीसे की सतहों के पूर्व पिघलने का RBS विश्लेषण है। Pb(110) सतह के एक RBS माप में, एक अच्छी तरह से परिभाषित सतह चोटी जो कम तापमान पर स्थिर होती है, व्यापक और अधिक तीव्र हो जाती है क्योंकि तापमान थोक पिघलने वाले तापमान के दो-तिहाई से अधिक हो जाता है। जैसे-जैसे तापमान पिघलने के तापमान तक पहुँचता है, शिखर थोक ऊँचाई और चौड़ाई तक पहुँच जाता है। सतह के विकार में यह वृद्धि, गहरे परमाणुओं को घटना किरण के लिए दृश्यमान बनाते हुए, सतह के पूर्व-पिघलने के रूप में व्याख्या की गई थी, और RBS प्रक्रिया के कंप्यूटर अनुकरण ने सैद्धांतिक पूर्व-पिघलने की भविष्यवाणियों की तुलना में समान परिणाम उत्पन्न किए।

RBS को परमाणु सूक्ष्मदर्शी के साथ भी जोड़ा गया है, जिसमें एक केंद्रित आयन किरण को एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के समान तरीके से सतह पर स्कैन किया जाता है। इस तरह के अनुप्रयोग में बैकस्कैटरेड संकेत का ऊर्जावान विश्लेषण सतह के बारे में रचनात्मक जानकारी प्रदान करता है, जबकि माइक्रोप्रोब का उपयोग आवधिक सतह संरचनाओं जैसी सुविधाओं की जांच के लिए किया जा सकता है।

यह भी देखें

• टकराव झरना
• लोचदार पुनरावृत्ति का पता लगाना
• गीजर-मार्सडेन प्रयोग
• आयन किरण विश्लेषण
• नाभिकीय सूक्ष्मदर्शी
• नाभिकीय अभिक्रिया विश्लेषण
• कण प्रेरित X-रे उत्सर्जन
• रदरफोर्ड बिखराव
• द्वितीयक आयन द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री
• रोकने की शक्ति (कण विकिरण)
• भूतल विज्ञान

संदर्भ

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