Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ, АТОМ БОРА

1.1. Введение

Наши представления о структуре атомов и атомных ядер основаны на результатах экспериментов по рассеянию частиц. Такие эксперименты позволяют определить, как пучок элементарных частиц — фотонов, электронов, нейтронов, ионов и т. д. — взаимодействует с атомом или ядром известного элемента. (Под «частицами» мы понимаем здесь любое падающее излучение, включая фотоны.) Классическим примером являются опыты Резерфорда по рассеянию а-частиц на тонкой фольге, приведшие к созданию модели атома в виде положительно заряженного ядра малых размеров, вокруг которого вращаются электроны.

Когда осиоииые взаимодействия излучения с вещестиом были изучены, научное сообщестио осознало важность обратной задачи, а именно: определения неизвестного атомного состава образца по его взаимодейстиию с излучением. Такие исследования получили название «анализ материалов». Например, а-частицы рассеиваются на различных ядрах определенным и хорошо известным образом. Измерения интенсивности и энергии рассеянных частиц позволяют однозначно определить элементный состав вещества.

Цель этой книги двояка: 1) изложить теорию тех фундаментальных взаимодействий, которые используются в современном анализе материалов; 2) показать, как эти знания применяются в практических задачах материаловедения.

Главное внимание в современных исследоианиях материалов обычно уделяется структуре и составу поверхностных слоеи. Это объясняется тем, что поверхность и приповерхностные области определяют многие механические и химические свойства твердых тел: коррозию, трение, износ, адгезию, хрупкость. Более того, можно целенаправленно изменять состав и структуру наружных слоев под действием излучения лазера или электронных и ионных пучков, а также такими традиционными способами, как окисление и диффузия.

В современном анализе материалов имеют дело с источником излучения, пучком частиц — фотонов, электронов, нейтронов или ионов, поперечным сечением взаимодействия, исходящим излучением и системой детектирования. В этой книге первоочередной интерес для нас представляет взаимодействие пучка с исследуемым веществом, причем акцеит сделан на энергиях и интенсивностях испускаемого излучения. Как будет показано, энергия вылетающей частицы позволяет идентифицировать атом, а интенсивность

свидетельствует о количестве атомов, что в совокупности и определяет элементный состав образца. Источник излучения и система детектирования являются сами по себе важными предметами обсуждения; однако физической основой точного количественного анализа материалов служит теория взаимодействия излучения с веществом.

Существует внушительное множество экспериментальных установок для исследования твердых тел. Рис. 1.1 дает представление о возможных схемах размещения приборов.

В некоторых случаях падающее и исходящее излучения совпадают (мы будем употреблять общие термины «излучение» и «частицы» для фотонов, электронов, ионои и т. д.). Ниже перечислены примеры с указанными и скобках общепринятыми сокращениями).

Рис. 1.1. Схема расположения источников излучения и детекторов для исследования материалов методами, описанными в книге. Методы анализа представлены практически любой возможной комбинацией источника излучения и регистрируемого излучения, а именно: электроны на входе и электроны на выходе или фотоны на входе и электроны на выходе. Многие камеры содержат также средства для эрозии поверхности образца, такие как ионный распылитель, а также испарительную аппаратуру для нанесения в вакууме покрытий на чистую поверхность. 1 — рабочая камера; 2 — источник для распыления; 3 — источник излучения; 4 — детектор; 5 — образец; 6 — вакуумная система.

Электрон на входе, электрон на выходе: электронная оже-спектроскопия (AES)

Ион на входе, ион на выходе: обратное рассеяние Резерфорда (RBS) Рентгеновское излучение на входе, рентгеновское излучение на выходе: рентгеновская флюоресцентная спектроскопия (XRF)

В других случаях падающее и исходящее излучения различаются, как указано ниже.

Рентгеновское излучение на входе, электрон на выходе: рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS).

Электрон на входе, рентгеновское излучение на выходе: электронный микроанализ (ЕМА).

Ион на входе, ион мишенн на выходе: масс-спектроскопия вторичных ионов (SIMS).

При падении на мишень пучок частиц либо упруго рассеивается, либо вызывает электронный переход в атоме. Рассеянная частнца или порожденное столкновением излучение несут на себе след взаимодействия с атомом. Уровни энергии, между которыми возможен переход, являются характерными для данного атома; следовательно, измерение энергетического спектра выходящего излучения позволяет идентифицировать атом.

Число атомов на 1 см2 мишени можно найти из соотношения между числом налетающих частиц и числом актов взаимодействия. Понятие сечения рассеяния вводится как количественная мера взаимодействия между падающей частицей и атомом. Для заданного процесса сечение рассеяния а одним атомом определяется через вероятность Р:

Число падающих частиц

Если мишень содержит атомов на единицу площади и расположена перпендикулярно пучку частиц с интенсивностью , то число актов взаимодействия в единицу времени равно . Измеряя интенсивность выходящего излучения, которое содержит информацию о переходе, и зная эффективность детектора, можно найти число атомов и в конечном счете установить состав мишени (рис. 1.2).

Анализ материалов должен дать информацию о составе, концентрации, распределении элементов по глубине и о структуре. Однако существующие конкретные методы анализа имеют разные возможности для удовлетворения каждого из этих требований. Выбор того или иного метода зависит от постановки задачи. Например, информация о химических связях может быть получена методом, основанным на переходах в электронной оболочке атома, — электронной спектроскопией. Структура вещества определяется дифракционными методами или с помощью каналирования частиц.

В следующих главах мы будем заниматься в основном анализом материалов на поверхности и в приповерхностном слое толщиной порядка нескольких микрон. Мы подчеркиваем, что энергия исходящего излучения позволяет идентифицировать элемент, а интенсивность излучения является

Рис. 1.2. Иллюстрация к понятию сечения рассеяния. Произвольно выделенный в середине фольги круг содержит случайное множество рассеивающих центров и имеет единичную площадь. В данном случае на единицу приходится пять рассеивающих центров. Каждый рассеивающий центр имеет площадь (сечение рассеяния) единичной площади; поэтому вероятность рассеяния равна 5/20, или 0,25. Часть падающего пучка рассеивается; в рассматриваемом примере эта часть составляет 0,25, т. е. 2 траектории из 8, показанных на рисунке. Измерение интенсивности рассеянного пучка является фактически измерением вероятности рассеяния а, выражение (1.1)]. Если толщина и плотность фольги известны, то можно вычислить и в результате непосредственно получить величину сечения рассеяния. 1 — пучок; 2 — фольга; 3 — рассеивающий центр.

мерой количества вешестиа. Таковы исходные принципы, лежащие в основе различных методов исследования материалов.