61. Физические основы спектрометрии резерфордовского обратного рассеяния. Тормозная способность вещества. Сечение торможения. Фактор тормозного сечения.

Метод РОР быстрых ионов основан на рассеянии анализирующей заряженной частицы в поле кулоновских сил ядра атома анализируемого вещества. В качестве анализирующих частиц используются ускоренные моноэнергетические легкие ионы Н или Не. Пучок ионов известной энергией Е_о значения которой обычной в интервале от 100-400 кэВ, направляется на исследуемый образец ( мишень).При этом небольшая часть падающих ионов испытывает столкновение с ядрами атомов мишени, в результате чего происходит существенное изменение энергии ионов и направления их движения. Менее чем 0,01 % от числа падающих ионов рассеивается на угол превышающий 90 градусов т.е испытывают обратное рассеяние и может покинуть исследуемый образец. Энергия рассеянной частицы зависит от массы ядра, с которым произошло столкновение, благодаря чему метод позволяет провести элементный анализ состава вещества. Толщина поверхностного слоя определяется пробегом ионов. Таким образом, измеряя энергию ионов, рассеянных на определенный угол, можно получить информацию о природе и концентрации различных атомов , составляющих исследуемый материал, а также о распределении атомов по глубине. Использование значений тормозных способностей, сечений торможения и факторов тормозного сечения дает возможность расчета глубины или точнее, количества атомов мишени на единицу площади на глубине от поверхности до точки столкновения.

Потери энергии в результате электронного торможения на пути входа в вещество: ∆Е_вх = ∙ где Ѳ1- угол падения анализирующих ионов на поверхность образца, - потери энергии на единице пути иона. В результате ионного торможения на пути выхода иона из вещества имеют место потери энергии : ∆Е_вых = ∙ где Ѳ2- угол между нормалью к поверхности образца и направлением на детектор. Конечная энергия частицы :

∆Е= ∆Е₀ - ∆Е_вх -∆Е_вых - ∆Е_S ,где ∆Е_S – энергия иона которая теряется при упругом рассеянии. Часто вместо тормозной способности оказывается более удобным использовать сечение торможения: ε= ∙ где N- плотность атомов мишени.

∆Е=[ ε] ∙N∙t, где t- глубина, [ ε] – фактор тормозного сечения.

[ ε]= [ ∙ ε_вх + ∙ ε_вых] , Если рассеяние происходит не на слишком большой глубине, то можно использовать приближение рассеяния на поверхности , предлодагающиее, что Е_вх= Е_{O ,} а Е_вых=К∙ Е_O. В этом приближении фактор тормозного сечения однородной мишени:

[ ε₀]= [ ∙ ε(E₀) + ∙ ε(k∙Е₀)]

В случае наличия в мишени примесей фактор тормозного сечения примеси:

[ ε]^I_j= [ ∙ ε_i(E₀) + ∙ ε_i(kj∙Е₀)] где индекс i относится к тормозящей среде, а индекс j к рассеивающему центру – ядру атома примеси.

Тормозная способность измеряется обычно в эВ/нм , сечение торможения – в эВ/( атом/см² ).

14. Внутреннее трение в газах. Передача импульса молекул в вакууме

Внутреннее трение (вязкость) в жидкостях и плотных газах выражается в способности этих сред оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Это сопротивление обусловлено переносом импульса движущихся молекул от слоя к слою который имеет место при ламинарном (слоевом) течении жидкости или плотного газа. Если газ течет в направлении, перпендикулярном оси х(рис. 1,37), то скорость течения газа U изменяется от слоя к слою в направлении оси х и характеризуется градиентом скорости du/dx. Передаваемый от слоя к слою за время dt через площадку dS импульс

η- коэффициент внутреннего трения или динамической вязкости, Па*с. Сила dF, действующая на площадку dS, разделяющую два соседних слоя, направлена по касательной к площадке и определяется законом Ньютона для вязкого трения

На скорость v хаотичного теплового движения молекул накладывается скорость U их упорядоченного движения в потоке. Имеет место перенос импульса из более быстрого слоя, скорость которого U2 , в более медленный, движущийся со скоростью U1 (U2>U1), и в обратном направлении. Количество молекул, попадающих на площадку dS cправа и слева, одинаково

Но передаваемый этими молекулами площадке dS импульс различен

Результирующий импульс, переносимый через площадку dS

Поскольку mn=ρ

Тогда

Поскольку плотность газа ρ прямо пропорциональна давлению, а средняя длина свободного пробега обратно пропорциональна давлению. То в случае плотных газов коэффициент внутреннего трения не зависит от давления.

Процесс передачи импульса молекул в вакууме не является внутренним трением В этом случае осуществляется передача молекулами импульса между поверхностями, имеющими различные скорости.

Пусть имеется две поверхности(рис.1,38), движущиеся с различными скоростями U1 и U2 (U1>U2). Молекула, ударяющаяся последовательно о каждую из поверхностей. Приобретает в направлении движения поверхности дополнительный импульс mu1 и mu2 соответственно. Результирующий импульс

Сила трения

Коэффициент трения (переноса импульса)в вакууме

Прямо пропорционален плотности разреженного газа или вдавления в вакуумной камере.