مطيافية التشتت العكسي لروذرفورد

مطيافية التشتت العكسي لروثرفورد ( RBS ) هي تقنية تحليلية تُستخدم في علم المواد . تُعرف أحيانًا باسم مطيافية تشتت الأيونات عالية الطاقة (HEIS)، وتُستخدم RBS لتحديد بنية وتركيب المواد عن طريق قياس التشتت العكسي لحزمة من الأيونات عالية الطاقة (عادةً البروتونات أو جسيمات ألفا ) التي تصطدم بعينة.

سُميت مطيافية التشتت العكسي لروذرفورد نسبةً إلى اللورد روذرفورد ، الفيزيائي الذي يُشار إليه أحيانًا بأبي الفيزياء النووية . أشرف روذرفورد على سلسلة من التجارب التي أجراها هانز جايجر وإرنست مارسدن بين عامي 1909 و1914 لدراسة تشتت جسيمات ألفا عبر رقائق معدنية. أثناء محاولتهما التخلص من "الجسيمات الشاردة" التي اعتقدوا أنها ناتجة عن خلل في مصدر جسيمات ألفا، اقترح روذرفورد على مارسدن محاولة قياس التشتت العكسي من عينة من رقائق الذهب. وفقًا لنموذج "بودنغ البرقوق" السائد آنذاك للذرة، والذي يفترض انتشار إلكترونات سالبة صغيرة عبر منطقة موجبة منتشرة، كان من المفترض أن يكون التشتت العكسي لجسيمات ألفا الموجبة عالية الطاقة معدومًا. في أقصى الأحوال، كان من المفترض أن تحدث انحرافات طفيفة نظرًا لمرور جسيمات ألفا عبر الرقاقة دون عوائق تُذكر. بدلاً من ذلك، عندما وضع مارسدن الكاشف على نفس جانب الرقاقة المعدنية الذي يوجد عليه مصدر جسيمات ألفا، رصد على الفور إشارة ارتدادية ملحوظة. ووفقًا لروثرفورد، "كان هذا الحدث الأكثر إثارة للدهشة الذي مررت به في حياتي. كان الأمر أشبه بإطلاق قذيفة عيار 15 بوصة على قطعة من المناديل الورقية فتعود وتصيبك." ^{[ 1 ]}

فسّر رذرفورد نتيجة تجربة جايجر-مارسدن على أنها مؤشر على تصادم كولوم مع جسيم موجب واحد ذي كتلة. قاده هذا إلى استنتاج مفاده أن الشحنة الموجبة للذرة لا يمكن أن تكون منتشرة، بل يجب أن تتركز في نواة واحدة ضخمة: نواة الذرة . أشارت الحسابات إلى أن الشحنة اللازمة لتحقيق هذا الانحراف تعادل تقريبًا 100 ضعف شحنة الإلكترون، وهو عدد قريب من العدد الذري للذهب. أدى هذا إلى تطوير نموذج رذرفورد للذرة، حيث تتكون النواة الموجبة من N جسيم موجب الشحنة +e، أو بروتونات ، محاطة بـ N إلكترون تدور حولها بشحنة -e لموازنة الشحنة النووية. تم استبدال هذا النموذج لاحقًا بنموذج بور للذرة ، الذي تضمن بعض النتائج المبكرة من ميكانيكا الكم .

إذا زادت طاقة الجسيم الساقط بشكل كافٍ، يتم تجاوز حاجز كولوم ، وتتداخل الدوال الموجية للجسيمات الساقطة والمصطدمة. قد يؤدي هذا إلى تفاعلات نووية في بعض الحالات، ولكن غالبًا ما يظل التفاعل مرنًا ، على الرغم من أن مقاطع التشتت قد تتقلب بشدة كدالة للطاقة، وتصبح غير قابلة للحساب التحليلي. تُعرف هذه الحالة باسم "مطيافية التشتت العكسي المرن (غير روثرفورد)" (EBS). وقد أُحرز تقدم كبير مؤخرًا في تحديد مقاطع التشتت العكسي المرن (EBS) عن طريق حل معادلة شرودنغر لكل تفاعل . ومع ذلك، بالنسبة لتحليل EBS للمصفوفات التي تحتوي على عناصر خفيفة، يُعتبر استخدام بيانات مقاطع التشتت المقاسة تجريبيًا ^{[ 2 ] [ 3 ] خيارًا موثوقًا للغاية.}

نصف ظاهرة التشتت العكسي لروذرفورد بأنها تصادم مرن بين جسيم ذي طاقة حركية عالية من الشعاع الساقط ( المقذوف ) وجسيم ثابت موجود في العينة ( الهدف ). تعني المرونة في هذا السياق عدم امتصاص أي طاقة من قبل الحالات الداخلية للجسيم الساقط أو الجسيم الثابت أثناء التصادم، وأن فقدان طاقة الجسيم الساقط يعود فقط إلى ارتداد الجسيم "الثابت" (الذي يكون عادةً ضئيلاً). التفاعلات النووية عمومًا غير مرنة، إذ قد يؤدي التصادم إلى تفاعل نووي، مصحوبًا بانطلاق كميات كبيرة من الطاقة. يُعد تحليل التفاعلات النووية (NRA) مفيدًا في الكشف عن العناصر الخفيفة، إلا أن هذا لا يُعد تشتتًا لروذرفورد.

بالنظر إلى حركية التصادم (أي حفظ الزخم والطاقة الحركية)، فإن طاقة المقذوف المتناثر E1 _تنخفض من الطاقة الأولية _E0 :

${\displaystyle E_{1}=k\cdot E_{0},}$

حيث يُعرف k بالعامل الحركي ، و

${\displaystyle k=\left({\frac {m_{1}\cos {\theta _{1}}\pm {\sqrt {m_{2}^{2}-m_{1}^{2}(\sin {\theta _{1}})^{2}}}}{m_{1}+m_{2}}}\right)^{2},}$^{[ 4 ]}

حيث يمثل الجسيم 1 المقذوف، ويمثل الجسيم 2 نواة الهدف، و${\displaystyle \theta _{1}}$تمثل زاوية تشتت المقذوف في الإطار المرجعي للمختبر (أي بالنسبة للمراقب). تُستخدم علامة الجمع عندما تكون كتلة المقذوف أقل من كتلة الهدف، وإلا تُستخدم علامة الطرح.

بينما تحدد هذه المعادلة بدقة طاقة المقذوف المتشتت لأي زاوية تشتت معينة (بالنسبة للمراقب)، فإنها لا تصف احتمالية رصد مثل هذا الحدث. ولذلك، نحتاج إلى المقطع العرضي التفاضلي لحدث التشتت العكسي.

${\displaystyle {\frac {d\omega }{d\Omega }}=\left({\frac {Z_{1}Z_{2}e^{2}}{4E_{0}}}\right)^{2}{\frac {1}{\left(\sin {\theta /2}\right)^{4}}},}$^{[ 4 ]}

أين${\displaystyle Z_{1}}$و${\displaystyle Z_{2}}$يمثلان العددين الذريين لنواة الجزيء الساقط ونواة الهدف. كُتبت هذه المعادلة في إطار مرجعي لمركز الكتلة ، وبالتالي فهي ليست دالة لكتلة كل من الجزيء الساقط ونواة الهدف.

زاوية التشتت في الإطار المرجعي للمختبر${\displaystyle \theta _{1}}$لا تُعتبر هذه الزاوية هي نفسها زاوية التشتت في إطار مرجعي لمركز الكتلة.${\displaystyle \theta }$(مع أن تجارب التشتت العكسي للجسيمات المشحونة ( RBS) عادةً ما تكون متشابهة جدًا). ​​مع ذلك، يمكن للجسيمات المشحونة بالأيونات الثقيلة أن تُسبب ارتدادًا سهلًا للأيونات الأخف، والتي يمكن، إذا كانت الهندسة مناسبة، قذفها من الهدف ورصدها. هذا هو أساس تقنية الكشف عن الارتداد المرن (ERD، ولها مرادفات ERDA وFRS وHFS). غالبًا ما تستخدم تقنية RBS حزمة من الهيليوم التي تُسبب ارتدادًا سريعًا للهيدروجين، لذا يُجرى الكشف عن الارتداد المرن/الكشف عن الارتداد المرن بشكل متكرر لفحص محتوى نظائر الهيدروجين في العينات (مع أن الكشف عن الارتداد المرن للهيدروجين باستخدام حزمة من الهيليوم بطاقة أعلى من 1 ميغا إلكترون فولت لا يُعدّ من نتائج رذرفورد: انظر http://www-nds.iaea.org/sigmacalc ). بالنسبة للكشف عن الارتداد المرن، تختلف زاوية التشتت في إطار المختبر اختلافًا كبيرًا عن تلك الموجودة في إطار مركز الكتلة.

لا يمكن للأيونات الثقيلة أن تتشتت عكسيًا من الأيونات الخفيفة، فهذا ممنوع حركيًا. يجب أن يبقى العامل الحركي واقعيًا، وهذا يحد من زاوية التشتت المسموح بها في الإطار المرجعي للمختبر. في تقنية التشتت الإلكتروني، غالبًا ما يكون من الملائم وضع كاشف الارتداد عند زوايا ارتداد كبيرة بما يكفي لمنع الإشارة من الحزمة المتشتتة. تكون شدة الأيونات المتشتتة دائمًا كبيرة جدًا مقارنةً بشدة الارتداد (تؤول صيغة مقطع التشتت لروذرفورد إلى اللانهاية عندما تؤول زاوية التشتت إلى الصفر)، ولذلك، في تقنية التشتت الإلكتروني، عادةً ما يجب استبعاد الحزمة المتشتتة من القياس بطريقة ما.

إن التفرد في صيغة مقطع التشتت لروذرفورد غير منطقي فيزيائيًا. فإذا كان مقطع التشتت يساوي صفرًا، فهذا يعني أن المقذوف لا يقترب أبدًا من الهدف، ولكنه في هذه الحالة لا يخترق سحابة الإلكترونات المحيطة بالنواة أيضًا. لذا، يجب تصحيح صيغة كولوم البحتة لمقطع التشتت الموضحة أعلاه لمراعاة تأثير الحجب هذا ، الذي يزداد أهمية مع انخفاض طاقة المقذوف (أو بعبارة أخرى، مع ازدياد كتلته).

بينما يحدث التشتت بزاوية كبيرة فقط للأيونات التي تتشتت عن نوى الهدف، يمكن أن يحدث أيضًا تشتت غير مرن بزاوية صغيرة عن إلكترونات العينة. ينتج عن ذلك انخفاض تدريجي في الطاقة الحركية للأيونات الساقطة أثناء اختراقها للعينة، بحيث يحدث التشتت العكسي عن النوى الداخلية بطاقة ساقطة "فعالة" أقل. وبالمثل، تفقد الأيونات المتشتتة عكسيًا طاقتها للإلكترونات عند خروجها من العينة. يُشار إلى مقدار انخفاض طاقة الأيون بعد مروره بمسافة معينة بقدرة إيقاف المادة، وهي تعتمد على توزيع الإلكترونات. يتغير فقدان الطاقة هذا باستمرار بالنسبة للمسافة المقطوعة، لذا تُعبر قدرة الإيقاف عن طريق

${\displaystyle S(E)=-{dE \over dx}.}$^{[ 5 ]}

بالنسبة للأيونات عالية الطاقة، فإن قدرة الإيقاف تتناسب عادةً مع${\displaystyle {\frac {Z_{2}}{E}}}$ومع ذلك، فإن الحساب الدقيق لقوة التوقف أمر يصعب إجراؤه بدقة.

تُقاس قدرة الإيقاف (أو قوة الإيقاف ) بوحدات الطاقة لكل وحدة طول. وعادةً ما تُقاس بوحدات الأغشية الرقيقة، أي إلكترون فولت لكل ذرة لكل سنتيمتر ^مربع ، لأنها تُقاس تجريبياً على أغشية رقيقة يُقاس سمكها دائماً بشكل مطلق ككتلة لكل وحدة مساحة، مما يتجنب مشكلة تحديد كثافة المادة التي قد تتغير بتغير السمك. وتُعرف قدرة الإيقاف الآن لجميع المواد بنحو 2%، انظر http://www.srim.org .

تتضمن أداة RBS عمومًا ثلاثة مكونات أساسية:

• مصدر أيوني ، عادةً جسيمات ألفا (أيونات He ²⁺ ) أو، بشكل أقل شيوعًا، بروتونات .
• مسرع جسيمات خطي قادر على تسريع الأيونات الساقطة إلى طاقات عالية، عادة في نطاق 1-3 ميغا إلكترون فولت.
• كاشف قادر على قياس طاقات الأيونات المتناثرة عكسياً على مدى معين من الزوايا.

يُستخدم نوعان شائعان من ترتيبات المصدر/التسريع في أنظمة RBS التجارية، حيث تعمل إما على مرحلة واحدة أو مرحلتين. تتكون الأنظمة أحادية المرحلة من مصدر أيونات الهيليوم الموجبة (He ⁺⁾ متصل بأنبوب تسريع، مع تطبيق جهد موجب عالٍ على مصدر الأيونات ، وتأريض في نهاية أنبوب التسريع. هذا الترتيب بسيط ومريح، ولكنه قد يصعب معه الوصول إلى طاقات تتجاوز 1 ميغا إلكترون فولت نظرًا لصعوبة تطبيق جهود عالية جدًا على النظام.

تبدأ الأنظمة ثنائية المراحل، أو "المسرعات الترادفية"، بمصدر لأيونات الهيليوم السالبة (He⁻ ⁾ وتضع الطرف الموجب في مركز أنبوب التسريع. يقوم عنصر تجريد موجود في الطرف الموجب بإزالة الإلكترونات من الأيونات التي تمر عبره، محولًا أيونات الهيليوم السالبة (He⁻) إلى أيونات الهيليوم الموجبة (He ^{++ )} . وهكذا، تبدأ الأيونات بالانجذاب إلى الطرف، ثم تمر عبره وتصبح موجبة، ثم تتنافر حتى تخرج من الأنبوب عند نقطة التأريض. يتميز هذا الترتيب، على الرغم من تعقيده، بميزة تحقيق تسارعات أعلى بفولتيات مطبقة أقل: إذ يمكن لمسرع ترادفي نموذجي بفولتية مطبقة تبلغ 750 كيلوفولت أن يحقق طاقات أيونية تتجاوز 2 ميجا إلكترون فولت. ^{[ 6 ]}

تُستخدم عادةً كواشف حاجز سطح السيليكون لقياس الطاقة المرتدة ، وهي عبارة عن طبقة رقيقة جدًا (100 نانومتر) من السيليكون من النوع P على ركيزة من النوع N، مُشكّلةً وصلة pn . تفقد الأيونات التي تصل إلى الكاشف جزءًا من طاقتها نتيجة التشتت غير المرن بواسطة الإلكترونات، بينما تكتسب بعض هذه الإلكترونات طاقة كافية للتغلب على فجوة النطاق بين نطاقي التكافؤ والتوصيل في أشباه الموصلات . هذا يعني أن كل أيون يسقط على الكاشف سينتج عددًا من أزواج الإلكترون-فجوة ، يعتمد على طاقة الأيون. يمكن الكشف عن هذه الأزواج بتطبيق جهد كهربائي عبر الكاشف وقياس التيار، مما يوفر قياسًا فعالًا لطاقة الأيون. تعتمد العلاقة بين طاقة الأيون وعدد أزواج الإلكترون-فجوة الناتجة على مواد الكاشف، ونوع الأيون، وكفاءة قياس التيار؛ كما تعتمد دقة الطاقة على التقلبات الحرارية . بعد سقوط أيون واحد على الكاشف، ستكون هناك فترة توقف قبل أن تتحد أزواج الإلكترون-الفجوة، والتي لا يمكن خلالها التمييز بين الأيون الساقط الثاني والأول. ^{[ 7 ]} 

يمكن تحقيق اعتماد الكشف على الزاوية باستخدام كاشف متحرك، أو عمليًا أكثر بفصل كاشف الحاجز السطحي إلى خلايا مستقلة متعددة يمكن قياسها بشكل منفصل، لتغطية نطاق من الزوايا حول التشتت الخلفي المباشر (180 درجة). ويتم التحكم في اعتماد الشعاع الساقط على الزاوية باستخدام منصة عينة قابلة للإمالة.

يعتمد فقد الطاقة للأيون المتناثر عكسيًا على عمليتين: الطاقة المفقودة في أحداث التشتت مع نوى العينة، والطاقة المفقودة نتيجة التشتت بزوايا صغيرة من إلكترونات العينة. تعتمد العملية الأولى على مقطع التشتت للنواة، وبالتالي على كتلتها وعددها الذري. عند زاوية قياس معينة، ستشتت نوى عنصرين مختلفين الأيونات الساقطة بدرجات وطاقات متفاوتة، مما ينتج عنه قمم منفصلة على مخطط N(E) الذي يوضح العلاقة بين عدد القياسات والطاقة. تُعد هذه القمم مميزة للعناصر الموجودة في المادة، مما يوفر وسيلة لتحليل تركيب العينة من خلال مطابقة طاقات التشتت مع مقاطع التشتت المعروفة. ويمكن تحديد التركيزات النسبية بقياس ارتفاعات هذه القمم.

لا تُؤدي عملية فقد الطاقة الثانية، وهي قدرة إيقاف إلكترونات العينة، إلى خسائر كبيرة منفصلة كتلك الناتجة عن التصادمات النووية. بل تُحدث فقدًا تدريجيًا للطاقة يعتمد على كثافة الإلكترونات والمسافة التي تقطعها في العينة. يُؤدي هذا الفقد إلى خفض الطاقة المقاسة للأيونات التي تتشتت عكسيًا من النوى داخل العينة بشكل متواصل يعتمد على عمق النوى. والنتيجة هي أنه بدلًا من قمم التشتت العكسي الحادة المتوقعة في مخطط N(E)، والتي يتحدد عرضها بالطاقة والدقة الزاوية، تتلاشى القمم المرصودة تدريجيًا نحو طاقة أقل مع مرور الأيونات عبر العمق الذي يشغله ذلك العنصر. كما أن العناصر التي تظهر فقط على عمق معين داخل العينة ستشهد أيضًا انزياحًا في مواقع قممها بمقدار يُمثل المسافة التي كان على الأيون قطعها للوصول إلى تلك النوى.

عمليًا، يمكن تحديد التوزيع العمقي للتركيب الكيميائي من خلال قياس RBS N(E). ويمكن تحديد العناصر الموجودة في العينة من خلال مواقع القمم في طيف الطاقة. كما يمكن تحديد العمق من خلال عرض هذه القمم وموقعها المزاح، والتركيز النسبي من خلال ارتفاعات القمم. يُعد هذا مفيدًا بشكل خاص لتحليل عينة متعددة الطبقات، على سبيل المثال، أو لعينة ذات تركيب يتغير بشكل أكثر استمرارية مع العمق.

يُستخدم هذا النوع من القياس لتحديد التركيب العنصري فقط؛ إذ لا يمكن تحديد البنية الكيميائية للعينة من خلال مخطط N(E). مع ذلك، يُمكن الحصول على بعض المعلومات حول هذا التركيب من خلال تقنية RBS بفحص البنية البلورية. ويمكن دراسة هذه المعلومات المكانية بالاستفادة من ظاهرتي الحجب والتوجيه.

لفهم تفاعل حزمة من النوى الساقطة مع بنية بلورية بشكل كامل، من الضروري فهم مفهومين رئيسيين آخرين : الحجب والتوجيه .

عندما يسقط شعاع من الأيونات ذات المسارات المتوازية على ذرة هدف، فإن تشتت الأيونات عن تلك الذرة يمنع التصادمات في منطقة مخروطية الشكل "خلف" الهدف بالنسبة للشعاع. يحدث هذا لأن الجهد التنافري لذرة الهدف يحرف مسارات الأيونات القريبة بعيدًا عن مسارها الأصلي، ويُشار إلى هذه الظاهرة باسم الحجب . يُعطى نصف قطر هذه المنطقة المحجوبة، على مسافة L من الذرة الأصلية، بالعلاقة التالية:

${\displaystyle R=2{\sqrt {\frac {Z_{1}Z_{2}e^{2}L}{E_{0}}}}}$^{[ 8 ]}

عندما يتشتت أيون من أعماق العينة، فإنه قد يتشتت مرة أخرى عن ذرة ثانية، مما يُنشئ مخروطًا محجوبًا ثانيًا في اتجاه مسار التشتت. ويمكن رصد ذلك عن طريق تغيير زاوية الكشف بدقة بالنسبة لزاوية السقوط.

تُلاحَظ ظاهرة التوجيه عندما يكون الشعاع الساقط محاذيًا لأحد محاور التناظر الرئيسية للبلورة. تُستثنى النوى الساقطة التي تتجنب الاصطدام بذرات السطح من الاصطدام بجميع الذرات الموجودة في الطبقات الأعمق من العينة، وذلك بسبب حجبها بواسطة الطبقة الأولى من الذرات. عندما تكون المسافة بين الذرات كبيرة مقارنةً بنصف قطر المخروط المحجوب، يمكن للأيونات الساقطة أن تخترق مسافةً أكبر بكثير من المسافة بين الذرات دون أن تتشتت عكسيًا. قد يؤدي هذا إلى انخفاض حاد في إشارة التشتت العكسي المرصودة عندما يكون الشعاع الساقط موجهًا على طول أحد اتجاهات التناظر، مما يسمح بتحديد البنية البلورية المنتظمة للعينة. يكون التوجيه أكثر فعاليةً مع أنصاف أقطار الحجب الصغيرة جدًا، أي مع الأيونات الساقطة عالية الطاقة ومنخفضة العدد الذري مثل أيون الهيليوم الموجب (He ⁺ ).

يعتمد مدى التسامح في انحراف زاوية سقوط شعاع الأيونات بالنسبة لاتجاه التناظر على نصف قطر الحجب، مما يجعل زاوية الانحراف المسموح بها متناسبة مع

${\displaystyle {\sqrt {\frac {Z_{1}Z_{2}}{E_{0}d}}}}$^{[ 9 ]}

على الرغم من انخفاض شدة ذروة تشتت رذرفورد العكسي (RBS) على امتداد معظم عرضها عند توجيه الشعاع، إلا أنه غالبًا ما تُلاحظ ذروة ضيقة عند الطرف ذي الطاقة العالية للذروة الأكبر، مما يُمثل تشتتًا سطحيًا من الطبقة الأولى من الذرات. ويُتيح وجود هذه الذروة إمكانية قياس حساسية السطح في تقنية تشتت رذرفورد العكسي.

بينما تُستخدم تقنية التشتت العكسي للجسيمات المشحونة (RBS) عادةً لقياس التركيب والبنية الكلية للعينة، فإنه من الممكن الحصول على بعض المعلومات حول بنية وتركيب سطح العينة. عند توجيه الإشارة لإزالة إشارة المادة الكلية، يمكن استخدام التحكم الدقيق في زوايا السقوط والكشف لتحديد المواضع النسبية للطبقات القليلة الأولى من الذرات، بالاستفادة من تأثيرات الحجب.

يمكن تغيير بنية سطح العينة عن بنيتها المثالية بعدة طرق. فقد تُغير الطبقة الأولى من الذرات بُعدها عن الطبقات اللاحقة ( الاسترخاء )؛ أو قد تتخذ بنية ثنائية الأبعاد مختلفة عن بنية المادة الأساسية ( إعادة البناء )؛ أو قد تُمتص مادة أخرى على السطح. ويمكن الكشف عن كل حالة من هذه الحالات باستخدام تقنية التشتت العكسي للجسيمات المشحونة (RBS). على سبيل المثال، يمكن الكشف عن إعادة بناء السطح عن طريق محاذاة الحزمة بطريقة تُؤدي إلى حدوث التوجيه، بحيث لا يُرصد إلا ذروة سطحية ذات شدة معروفة. وتشير شدة أعلى من المعتاد أو ذروة أعرض إلى أن الطبقات الأولى من الذرات لا تستطيع حجب الطبقات التي تحتها، أي أن السطح قد أُعيد بناؤه. ويمكن الكشف عن الاسترخاء بإجراء مماثل مع إمالة العينة بحيث تسقط حزمة الأيونات بزاوية مُختارة بحيث تحجب ذرات الطبقة الأولى التشتت العكسي بشكل قطري؛ أي من الذرات التي تقع أسفل الذرة الحاجبة والمُزاحة عنها. يشير ارتفاع نسبة التشتت العكسي عن المتوقع إلى أن الطبقة الأولى قد انزاحت بالنسبة للطبقة الثانية، أو أنها استرخت. ويمكن الكشف عن المواد الممتزة من خلال اختلاف تركيبها، مما يؤدي إلى تغيير موضع ذروة السطح بالنسبة للموضع المتوقع.

استُخدمت تقنية التشتت العكسي للجسيمات المشحونة (RBS) لقياس العمليات التي تؤثر على السطح بشكل مختلف عن تأثيرها على المادة الداخلية، وذلك من خلال تحليل التغيرات في ذروة السطح الموجهة. ومن الأمثلة المعروفة على ذلك تحليل RBS لعملية ما قبل انصهار أسطح الرصاص بواسطة فرينكن وماري وفان دير فين. في قياس RBS لسطح الرصاص (110) ، وُجد أن ذروة سطحية محددة جيدًا، مستقرة عند درجات الحرارة المنخفضة، أصبحت أعرض وأكثر كثافة مع ارتفاع درجة الحرارة لتتجاوز ثلثي درجة انصهار المادة الداخلية. ووصلت الذروة إلى ارتفاع وعرض المادة الداخلية عندما بلغت درجة الحرارة درجة الانصهار. وقد فُسِّر هذا التزايد في اضطراب السطح، مما جعل الذرات الأعمق مرئية للشعاع الساقط، على أنه ما قبل انصهار السطح، وقد أنتجت المحاكاة الحاسوبية لعملية RBS نتائج مماثلة عند مقارنتها بالتنبؤات النظرية لما قبل الانصهار. ^{[ 11 ]}

تم دمج تقنية التشتت العكسي للجسيمات (RBS) مع المجهر النووي ، حيث يتم مسح سطح ما بشعاع أيوني مركز بطريقة مشابهة للمجهر الإلكتروني الماسح . يوفر التحليل الطاقي للإشارات المتناثرة في هذا النوع من التطبيقات معلومات عن تركيب السطح، بينما يمكن استخدام المسبار المجهري نفسه لفحص خصائص مثل البنى السطحية الدورية. ^{[ 12 ]}