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A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 1
Interazioni non-coulombiane e reazioni nucleari
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La distanza di minimo avvicinamento e la barriera coulombiana
E =
1
2M
av
0
2 =V (d) =Z
1Z
2e2
d
R =(1.4 ×10−5 )A1/ 3 Å :stima del raggio nucleare
d > R
MaMa
MX
Ione incidente Ione diffuso
Nucleo bersaglio
Nucleo di rinculo
X(a,a)X
Diffusione elastica: E
k
in =Ek
out
d < R
MaMb
MX
Ione incidente Ione diffuso
Nucleo bersaglio
Nucleo residuo
X(a,b)Y
Reazione nucleare: E
k
in ≠Ek
out
MY
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Formazione del nucleo composto
a+X b+Y X(a, b)Y
a+X (a+X)* b+Y
b0
b1
b2
bn
(a+X)*
Y
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Conservazione dell’ energia relativistica
X(a,b)Y: X +a +Q → Y +b E
k(X ) +M
xc2 +E
k(a) +M
ac2 =E
k(Y ) +M
Yc2 +E
k(b) +M
bc2
Q = E
k(Y ) +E
k(b)( ) − E
k(X ) +E
k(a)( ) = M
x+M
a( )c2 − M
Y+M
b( )c2
Energia a riposo: M c2
X(a,a)X: X +a→ X +a Q =0 Interazione elasticaX=Ya=b
M
X+M
a> M
Y+M
b Q > 0 Reazione nucleare esotermica
M
X+M
a< M
Y+M
b Q < 0 Reazione nucleare endotermica
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Esempio: la rivelazione dell’ Ossigeno
16O(d, p) 17O
12d +
8
16O →9
18F →8
17O +1
1p
Q =(M
d+M
16O)c2 −(M
p+M
17O)c2 =1.955 MeV
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Reazioni nucleari con ioni leggeri
Nucleo Reazione Eo(MeV) E( MeV)2H 2H(d,p)3H 1 2.32H 2H(3He,p)4He 0.7 13
3He 3He(d,p)4He 0.45 13.66Li 6Li(d,α)4He 0.7 9.77Li 7 ( ,Li p α)4He 1.5 7.79Be 9 ( ,Be dα)7Li 0.6 4.111B 11 ( ,B pα)8Be 0.65 5.5712C 12 ( , )C d p 13C 1.2 3.113C 13 ( , )C d p 14C 0.64 5.814N 14 ( ,N d α)12C 1.5 9.915N 15 ( ,N p α)12C 0.8 3.916O 16 ( , )O d p 17O 0.9 2.418O 18 ( ,O pα)15N 0.73 3.419F 19 ( ,F p α)16O 0.592 2.23827Al 27 ( ,Al p)28Si .992 10.7831P 31 ( ,P p α)28Si 1.514 2.734
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Studi di impoverimento superficiale di Li
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Esempio: la rivelazione dell’ Azoto e dell’ Ossigeno
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Esempio: la rivelazione dell’ Azoto e dell’ Ossigeno
Proton spectrum recorded at 0.61 MeV for a TiNxOy/Si sample (1.67 X 1017 14N/cm2 and 7.7X 1016 160/cm2). The oxygen to nitrogen concentration ratio is 0.46.
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La sezione d’ urto per la reazione 16O(d,p0)17O
Measured cross-section for the 160(d, p0)170 reaction.
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La sezione d’ urto per la reazione 14N(d,p5)15N
Measured cross-section for the 14N(d,p5)15N reaction
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Deviazioni dalla sezione d’ urto di Rutherford
16O(α, α)16O
Effetti di interazioni non coulombiane
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Il “Backscattering risonante” r-RBS
5.75 MeV He rBS spectrum of the Au/C/Ag calibration target.
M. Berti et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 143 (1998) 357-370
12C(α, α)12C
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La sezione d’ urto della reazione 12C(α, α)12C
Measured ratio of the C cross-section value with respect to the Rutherford one (R(E)), as a function of the mean energy in the C foil
M. Berti et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 143 (1998) 357-370
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Spettro RBS in condizioni di non risonanza
3 MeV RBS spectrum of the SiGeC sample #254. The dashed line is the RBS computer simulation of the spectrum.
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Spettro RBS in condizioni di risonanza
rBS spectrum of sample #254 obtained with a 5.72 MeV He beam, superposed to the corresponding spectrum of a Si sample.
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Il segnale del Carbonio
Expanded view of the C energy region of the previous spectra
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Uso di reazioni nucleari risonanti
E = ER
E > ER
15N
(4.4 MeV)
(4.4 MeV)
ER = 6.485 MeV
= 3.5 keV larghezza della risonanza
H(15N ,α ) 12C
E
R=E −
dE
dxdx
0
z
∫
Misura del profilo di concentrazione di Idrogeno
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Profili di Idrogeno in LiNbO3
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La rivelazione dei nuclei di rinculo
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Elastic Recoil Detection - “ERD”
M1
M1
M2M2
θ
φEo
E1
E0=1
2M
1v
0
2 =1
2M
1v1
2 +1
2M
2v2
2
M1v
0=M
1v1cosϑ +M
2v2cosϕ
0 =M1v1sinϑ −M
2v2sinϕ
⎧
⎨
⎪⎪
⎩
⎪⎪
v2
v0
=4M
1M
2cos2 ϕ
(M1+M
2)2
E2
E0
=4M
1M
2cos2 ϕ
(M1+M
2)2
=KERD
(M1,M
2,ϕ )
per M1>M2
σ(Z2,E
0,φ) =
Z1Z
2e2 (M
1+M
2)
2M1E
0
⎛
⎝⎜⎜
⎞
⎠⎟⎟
1
cos3 φ
Nell’ ipotesi di interazione puramente coulombiana
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La costante elastica di “recoil”
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 20 40 60 80 100
K
M2
K(He,10°)
K(He,45°)
K(Si,10°)
K(Si,45°)
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Costante k e sezione d’ urto
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 20 40 60 80 100
Particle: SiE = 12 MeV
phi = 10°K
sigma
K sigma (barn)
Z
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Misure di diffusione di Deuterio in materiale organico
4He++ ion beam
Eo = 3.0 MeV
forward scattered4He++ ions
recoil 1H and 2Hnuclei
mylar foil(adsorber)
deuterated sample
detector
φ
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Studio di impoverimento superficiale di Li