A description of the Rutherford's experiment and some applications

1. Η εφαρμογή της μεθόδου οπισθοσκέδασης Rutherford
στη μελέτη υλικών
Υπεύθυνος Dr Μ. Κόκκορης
Τσιντάρη Πελαγία
Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών, Τομέας Φυσικού, Ε.Μ.Π.
Τρίτη 02.06.2015

2. (Αύγουστος 1871- Οκτώβριο1937)
•Νεοζηλανδός φυσικός και χημικός.
•Ανακάλυψε ότι το άτομο έχει
συγκεντρωμένο θετικό φορτίο στο
κέντρο του και το αρνητικό
περιφερειακά καθιερώνοντας το
πλανητικό μοντέλο των ατόμων
•Βραβείο Νομπέλ Χημείας (1908)
•Πρώτη προσπάθεια διάσπασης του
ατόμου (1918)
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

3.  Η ιδιαιτερότητα των ακτίνων άλφα
 Ποσοτική μελέτη του φαινομένου
 Μελέτη των τυχαίων αποκλίσεων των σωματίων άλφα
 Έντονη απόκλιση ορισμένων σωματίων α, έως και πέρα των
90ο
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

4. Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

5. 1. Μεταφορά ενέργειας από τη δέσμη στο
στόχο μέσω ελαστικών κρούσεων.
2. Πιθανότητα πραγματοποίησης αυτής της
σύγκρουσης.
3. Μέση απώλεια ενέργειας των ατόμων που
διέρχονται από ένα υλικό.
4. Στατιστική διακύμανση της απώλειας
ενέργειας ενός ατόμου που διέρχεται
διαμέσου ενός υλικού.
Τσιντάρη Πελαγία 8ο
εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

6. Υποθέσεις
Η ενέργεια Ε0 του εκπεμπόμενου σωματιδίου πρέπει να είναι
μεγαλύτερη απότην ενέργεια σύνδεσης του στόχου.
Αποφυγή πυρηνικών αντιδράσεων και μεταστοιχειώσεων.
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

7.    
 2
2
2 2
1 2 1 2
1 2
1 / sin / cos
1 /
 

       
   
    
1 0/K E E
Μέσω της αρχής διατήρησης της ορμής και της ενέργειας προκύπτει
ο κινηματικό παράγοντας Κ
Εξαρτάται από τον λόγο των μαζών και τη γωνία σκέδασης θ
Τσιντάρη Πελαγία 8ο
εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

8.    
 2
2
2 2
1 2 1 2
1 2
1 / sin / cos
1 /
 

       
   
    
Ελάχιστη τιμή Κ στις 180ο
Μ1 = Μ2 τότε Κ=0 για γωνίες >90ο
Ενώ αυξάνεται συναρτήσει του cos2θ
για γωνίες <90οΤσιντάρη Πελαγία 8ο
εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

9. 1. Μεταφορά ενέργειας από τη δέσμη στο
στόχο μέσω ελαστικών κρούσεων.
2. Πιθανότητα πραγματοποίησης αυτής της
σύγκρουσης.
3. Μέση απώλεια ενέργειας των ατόμων που
διέρχονται από ένα υλικό.
4. Στατιστική διακύμανση της απώλειας
ενέργειας ενός ατόμου που διέρχεται
διαμέσου ενός υλικού.
Τσιντάρη Πελαγία 8ο
εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

10.  Η ιδιότητα της οπισθοσκέδασης να δίνει ποσοτικά
αποτελέσματα για την πυκνότητα των ατόμων που υπάρχουν
στην επιφάνεια του δείγματος.
1
dQ
d d
d Nt Q

 
       
    
 
Q Nt   
Τσιντάρη Πελαγία 8ο
εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

11. 2
2
2 21
2 22
1 2
4 2
21
2
1 sin cos
4
4 sin
1 sin
ed
d E
 



              
      
Ανάλογη του Ζ1
2
. Τα αποτελέσματα της οπισθοσκέδασης εξαρτώνται άμεσα
από την εκπεμπόμενη δέσμη
Ανάλογη του Ζ2
2
. Τα βαρύτερα άτομα είναι πιο αποτελεσματικά από τα
ελαφριά
Αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της ενέργειας των εκπεμπόμενων
σωματιδίων.
Αντιστρόφως ανάλογη της τέταρτης δύναμης του ημιτόνου θ.
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.
 Rutherford’s Formula

12. 1. Μεταφορά ενέργειας από τη δέσμη στο
στόχο μέσω ελαστικών κρούσεων.
2. Πιθανότητα πραγματοποίησης αυτής της
σύγκρουσης.
3. Μέση απώλεια ενέργειας των ατόμων που
διέρχονται από ένα υλικό.
4. Στατιστική διακύμανση της απώλειας
ενέργειας ενός ατόμου που διέρχεται
διαμέσου ενός υλικού.
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

13.  Ένα σωματίδιο που
οπισθοσκεδάζεται από ένα
βάθος ενός συγκεκριμένου
υλικού, έχει χάσει ένα ποσό
ενέργειας, κυρίως λόγω
αλληλεπίδρασης με τα
ηλεκτρόνια του στοιχείου
στο στόχο, μεγαλύτερο από
εκείνο που χάνει ένα
σωματίδιο το οποίο
οπισθοσκεδάζεται από την
επιφάνεια του ίδιου υλικού
1 dE
N dx

  
   
  
eV cm2
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

14. 1. Μεταφορά ενέργειας από τη δέσμη στο
στόχο μέσω ελαστικών κρούσεων.
2. Πιθανότητα πραγματοποίησης αυτής της
σύγκρουσης.
3. Μέση απώλεια ενέργειας των ατόμων που
διέρχονται από ένα υλικό.
4. Στατιστική διακύμανση της απώλειας
ενέργειας ενός ατόμου που διέρχεται
διαμέσου ενός υλικού.
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

15.  Στατιστική Διακύμανση
της ενέργειας -->
Σωματίδια δέσμης με
ίδια αρχική ενέργεια και
ταχύτητα παρουσιάζουν
διαφορά στην απώλεια
ενέργειας όταν εξέλθουν
από ομοιογενές δείγμα
Πεπερασμένο όριο στην ακρίβεια μέτρησης της απώλειας ενέργειας και κατ’
επέκταση στο πάχος του υλικού. Επίσης θέτει περιορισμό στην ικανότητα
ταυτοποίησης υλικών καθώς προσδίδει αβεβαιότητα στον κινηματικό
παράγοντα (Κ=Ε1 /Ε0)
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

16. 1 0 2
2
d
d

   

Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

17.  Πηγή ιόντων (συνήθως Ηe)
 Επιταχυντής υψηλής ενέργειας
 Στοιχεία Εστίασης
 Ανιχνευτής ημιαγωγού
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

18. Van de Graaf – Επιταχυντής
Κινούμενο διηλεκτρικό ιμάντα για
μεταφορά φορτίου
Πάνω μέρος μια κενή μεταλλική
σφαίρα
Στα δύο άκρα του ιμάντα υπάρχουν
«μεταλλικές» χτένες
η κάτω είναι γειωμένη και
η πάνω συνδέεται με τη μεταλλική
σφαίρα
Μπορεί πλέον να παράγει δυναμικό
έως 25MV
https://www.youtube.com/watch?v=EsZQS2GOMQEΤσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

19. Επιταχυντές
Single –Ended
 Η πηγή θετικών ιόντων
βρίσκεται μέσα στο terminal
 Πολύ υψηλή ενέργεια
ιόντων
 Μόνωση με αέριο (SF6)
Η θέση της πηγής >
δυσκολία στην ανανέωση
και αδύνατη αλλαγή
Tandem
 Πηγή αρνητικών ιόντων έξω
από τον επιταχυντή, μικρή
τάση, διπλή επιτάχυνση
 Θετικά φορτισμένο terminal
 Απογύμνωση από των
ηλεκτρονίων των ιόντων
στο terminal, δεν είναι
απαραίτητο υψηλό
δυναμικό
 Επιτάχυνση των θετικών
ιόντων
Απόδοση χαμηλής
ενέργειας δέσμη ιόντων

20. Αφαίρεση ηλεκτρονίων
Η αφαίρεση ηλεκτρονίων γίνεται μέσα στο terminal. Τα
υλικά που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι ένα λεπτό
φύλλο ή αέριο.
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

21. Στοιχεία Εστίασης
Αναλυτικός μαγνήτης: διαχωρίζει τη δέσμη των ακτίνων α από άλλα
ιόντα που μπορεί να περιέχει η δέσμη.
Τετράπολοι μαγνήτες: συγκεντρώνουν και εστιάζουν τη δέσμη προς
το δείγμα.
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

22. Θάλαμος Δείγματος
Θέση του δείγματος.
Ένας ή περισσότεροι
ανιχνευτές ημιαγωγών
(πυριτίου).
Η οπή για την είσοδο της
δέσμης.
Σύστημα κενού.
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

23. Ένα Φάσμα RBS
Κινηματικός Παράγοντας
Μάζα
Βάθος
Απώλεια ενέργειας
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.
Θέση του σήματος
αντίληψη μάζας,
κινηματικό παράγοντα
Πλάτος του σήματος
αντίληψη βάθους,
άτομα/επιφάνεια, ισχύς
ανάσχεσης
Ύψος σήματος
αριθμός
οπισθοσκεδαζόμενων,
ενεργός διατομή

24. Προσομοίωση (SIMNRA) Πειραματικό Αποτέλεσμα
Φάσμα RBS ενός στρώματος Ag πάνω σε TiN και Si.
Ενέργεια δέσμης 3.98MeV 4He και γωνία σκέδασης 165ο .
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

25. Προσομοίωση (SIMNRA) Πειραματικό Αποτέλεσμα
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.
Φάσμα RBS πέντε εναλλασσόμενων στρωμάτων Nb και Co.
Ενέργεια δέσμης 2.0 MeV 4He και γωνία σκέδασης 165ο .

26. “Ο Ναπολέων διασχίζει τις
Άλπεις” Jacques-Louis David
(1803)
Η θήκη του σπαθιού έχει κατασκευαστεί από ένα κράμα
χρυσού (Au) και χαλκού (Cu), (πάχους >10μm).
Για σύγκριση, η επιχρύσωση ενός
αγαλματίου που έχει πάχος περίπου 2 μικρά.Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

27. Όταν το γυαλί εκτίθεται σε
υγρό περιβάλλον
υποβάλλεται σε διάβρωση.
Κατά τη διαδικασία της
διάβρωσης επιλεκτικές
εκπλύσεις αλκαλίων (Na, K)
και αλκαλικών γαιών (Ca,
Ba) λαμβάνουν χώρα, ενώ
ενσωματώνονται
συστατικά του ύδατος (Η,
ΟΗ, Η2Ο). Η απόπλυση
αυτή είναι ορατή μέσω
φάσματος RBS.
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

29.  Μη καταστροφική μέθοδος ανάλυσης.
 Πολύ καλή ανάλυση βάθους (depth profiling).
 Ακριβή αποτελέσματα για την κατανομή των ατομικών ειδών στο
δείγμα.
 Ποσοτικά αποτελέσματα.
 Το δείγμα μπορεί να είναι μονωτικό ή και φορτισμένο με λίγα kV
Αδυναμία διαχωρισμού σωματιδίων ίδιας μάζας
Χαμηλή ευαισθησία διάκρισης ελαφριών στοιχείων (μικρό Ζ)
επάνω σε βαριά (μεγάλο Ζ).
Απαίτηση για ομοιομορφία του δείγματος τόσο στην επιφάνεια
όσο και κάτω από αυτή.
Έλλειψη χημικών πληροφοριών
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

30. Μικροηλεκτρονική
Depth profiling λεπτών υμενίων
Πολιτιστική Κληρονομιά
Στοιχειακή ανάλυση έργων τέχνης
Ιατροδικαστικές Εφαρμογές
Δακτυλικά αποτυπώματα και κατάλοιπα πυροβολισμών
Δομικά Υλικά
Χαρακτηρισμό υλικών
Βιολογικές Εφαρμογές
Στοιχειακή και μοριακή ανάλυση κυττάρων και βιολογικών υλικών
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

31.  Backscattering Spectrometry - Wei-Kan Chu, James W. Mayer,
Marc-A. Nicolet, Academic Press, INC.,1978
 Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) - M. Mayer
Lectures given at the Workshop on Nuclear Data Science and
Technology: Materials Analysis, Trieste 2003
http://users.ictp.it/~pub_off/lectures/lns022/Mayer_1/Mayer_1.pdf
 La tecnica RBS - Massimo Chiari, Lezione su Rutherford
Backscattering Spectroscopy, Firenze 2012
 RBS Instrumentation - Evans Analytical Group
http://www.eag.com/mc/rbs-beam-line-tank.html#next
 SIMNRA User’s Guide - Matej Mayer, Max-Planck Insitut fur
Plasmaphysik
 PIXE-RBS survey of Meissen porcelain snuff box: first
version or not? - C. Neelmeijer and R. Rocher, January 2012
 Τα λίγα που θυμάμαι - Otto Frisch, Δίαυλος
 Προσομοιώσεις: SIMNRA
 Εικόνες : www.google.gr
Βιβλιογραφία
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

32. The End?!
Τσιντάρη Πελαγία
8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.