El análisis de reacción nuclear (NRA) es un método nuclear de espectroscopia nuclear en la ciencia de los materiales para obtener distribuciones de concentración versus profundidad para ciertos elementos químicos objetivo en una película delgada sólida. [1]
Si se irradian con núcleos de proyectiles seleccionados a energías cinéticas E kin , los elementos químicos de película delgada sólidos objetivo pueden experimentar una reacción nuclear en condiciones de resonancia para una energía de resonancia claramente definida. El producto de la reacción suele ser un núcleo en estado excitado que se desintegra inmediatamente y emite radiación ionizante .
Para obtener información sobre la profundidad, es necesario conocer la energía cinética inicial del núcleo del proyectil (que debe ser superior a la energía de resonancia) y su poder de frenado (pérdida de energía por distancia recorrida) en la muestra. Para contribuir a la reacción nuclear, los núcleos del proyectil deben reducir su velocidad en la muestra para alcanzar la energía de resonancia. Por lo tanto, cada energía cinética inicial corresponde a una profundidad en la muestra donde se produce la reacción (cuanto mayor sea la energía, más profunda será la reacción).
Por ejemplo, una reacción comúnmente utilizada para perfilar el hidrógeno con un haz de iones energético de 15 N es
con una resonancia aguda en la sección transversal de reacción a 6,385 MeV de solo 1,8 keV. [3] Dado que el ion 15 N incidente pierde energía a lo largo de su trayectoria en el material, debe tener una energía mayor que la energía de resonancia para inducir la reacción nuclear con núcleos de hidrógeno más profundos en el objetivo.
Esta reacción se escribe habitualmente 1 H( 15 N,αγ) 12 C. [4] Es inelástica porque el valor Q no es cero (en este caso es 4,965 MeV). Las reacciones de retrodispersión de Rutherford (RBS) son elásticas (Q = 0), y la sección eficaz de interacción (dispersión) σ viene dada por la famosa fórmula derivada por Lord Rutherford en 1911. Pero las secciones eficaces no Rutherford (denominadas EBS , espectrometría de retrodispersión elástica ) también pueden ser resonantes: por ejemplo, la reacción 16 O(α,α) 16 O tiene una resonancia fuerte y muy útil a 3038,1 ± 1,3 keV. [5]
En la reacción 1H ( 15 N,αγ) 12 C (o, de hecho, la reacción inversa 15 N(p,αγ) 12 C ), el rayo gamma emitido con energía es característico de la reacción y la cantidad de rayos gamma detectados a cualquier energía incidente es proporcional a la concentración de hidrógeno a la respectiva profundidad en la muestra. Debido al pico angosto en la sección transversal de la reacción, principalmente los iones de la energía de resonancia experimentan una reacción nuclear. Por lo tanto, la información sobre la distribución del hidrógeno se puede obtener directamente variando la energía del haz incidente de 15 N.
El hidrógeno es un elemento inaccesible a la espectrometría de retrodispersión de Rutherford, ya que nada puede retrodispersarse a partir del H (¡ya que todos los átomos son más pesados que el hidrógeno!). Pero a menudo se analiza mediante detección de retroceso elástico .
El NRA también se puede utilizar de forma no resonante (por supuesto, el RBS no es resonante). Por ejemplo, el deuterio se puede perfilar fácilmente con un haz de 3 He sin cambiar la energía incidente utilizando el
reacción, generalmente escrita 2 H( 3 He,p)α. La energía del protón rápido detectado depende de la profundidad del átomo de deuterio en la muestra. [6]