สเปกโทรเมตรีการกระเจิงย้อนกลับของรัทเทอร์ฟอร์ด ( RBS ) เป็นเทคนิคการวิเคราะห์ที่ใช้ในวิทยาศาสตร์วัสดุบางครั้งเรียกว่าสเปกโทรเมตรีการกระเจิงของไอออนพลังงานสูง (HEIS) RBS ใช้ในการกำหนดโครงสร้างและองค์ประกอบของวัสดุโดยการวัดการกระเจิงย้อนกลับของลำแสงไอออนพลังงานสูง (โดยทั่วไปคือโปรตอนหรืออนุภาคอัลฟา ) ที่ตกกระทบลงบนตัวอย่าง

การวัดการกระเจิงย้อนกลับของรัทเทอร์ฟอร์ด (Rutherford backscattering spectrometry) ตั้งชื่อตามลอร์ดรัทเทอร์ฟอร์ดนักฟิสิกส์ที่บางครั้งถูกเรียกว่าบิดาแห่งฟิสิกส์นิวเคลียร์รัทเทอร์ฟอร์ดเป็นผู้ควบคุมดูแลชุดการทดลองที่ดำเนินการโดยฮันส์ ไกเกอร์และเออร์เนสต์ มาร์ส เดน ระหว่างปี 1909 ถึง 1914 ซึ่งศึกษาการกระเจิงของ อนุภาคอัลฟาผ่านแผ่นฟอยล์โลหะ ในขณะที่พยายามกำจัด "อนุภาคหลงเหลือ" ที่พวกเขาเชื่อว่าเกิดจากความไม่สมบูรณ์ในแหล่งกำเนิดอัลฟา รัทเทอร์ฟอร์ดแนะนำให้มาร์สเดนลองวัดการกระเจิงย้อนกลับจากตัวอย่างแผ่นฟอยล์ทองคำ ตามแบบจำลองอะตอมแบบพุดดิ้งลูกพลั มที่แพร่หลายในขณะนั้น ซึ่งอิเล็กตรอนประจุลบขนาดเล็กกระจายอยู่ทั่วบริเวณประจุบวก การกระเจิงย้อนกลับของอนุภาคอัลฟาพลังงานสูงประจุบวกควรจะไม่มีอยู่จริง อย่างมากที่สุดควรมีการเบี่ยงเบนเล็กน้อยเท่านั้น เนื่องจากอนุภาคอัลฟาผ่านแผ่นฟอยล์ไปโดยแทบไม่มีสิ่งกีดขวาง แต่เมื่อมาร์สเดนวางเครื่องตรวจจับไว้ด้านเดียวกับแหล่งกำเนิดอนุภาคอัลฟาบนแผ่นฟอยล์ เขาก็ตรวจพบสัญญาณกระเจิงกลับที่เห็นได้ชัดทันที ตามคำกล่าวของรัทเธอร์ฟอร์ด "มันเป็นเหตุการณ์ที่เหลือเชื่อที่สุดเท่าที่เคยเกิดขึ้นกับผมในชีวิต มันเหลือเชื่อพอๆ กับที่คุณยิงกระสุนขนาด 15 นิ้วใส่กระดาษทิชชู่แล้วมันเด้งกลับมาโดนคุณ" ^{[ 1 ]}

รัทเทอร์ฟอร์ดตีความผลการทดลองของไกเกอร์-มาร์สเดนว่าเป็นการบ่งชี้ถึงการชนแบบคูลอมบ์กับอนุภาคบวกมวลมากเพียงอนุภาคเดียว สิ่งนี้ทำให้เขาสรุปได้ว่าประจุบวกของอะตอมไม่สามารถกระจายตัวได้ แต่ต้องกระจุกตัวอยู่ในแกนกลางมวลมากเพียงแกนเดียว นั่นคือนิวเคลียสของอะตอมการคำนวณแสดงให้เห็นว่าประจุที่จำเป็นในการทำให้เกิดการเบี่ยงเบนนี้มีค่าประมาณ 100 เท่าของประจุของอิเล็กตรอน ซึ่งใกล้เคียงกับเลขอะตอมของทองคำ สิ่งนี้จึงนำไปสู่การพัฒนารูปแบบอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด ซึ่งประกอบด้วยนิวเคลียสบวกที่ประกอบด้วย อนุภาคบวก Nตัวที่มีประจุ +e หรือโปรตอนล้อมรอบด้วย อิเล็กตรอน N ตัว ที่โคจรอยู่รอบๆ ซึ่งมีประจุ -e เพื่อรักษาสมดุลของประจุในนิวเคลียส ในที่สุดแบบจำลองนี้ก็ถูกแทนที่โดยอะตอมของบอร์ซึ่งได้รวมเอาผลลัพธ์เบื้องต้นบางส่วนจากกลศาสตร์ควอน ตัมเข้ามา ด้วย

หากพลังงานของอนุภาคที่ตกกระทบเพิ่มขึ้นมากพอกำแพงคูลอมบ์จะถูกทะลุผ่าน และฟังก์ชันคลื่นของอนุภาคที่ตกกระทบและอนุภาคที่ถูกชนจะทับซ้อนกัน ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ในบางกรณี แต่บ่อยครั้งที่การปฏิสัมพันธ์ยังคงเป็นแบบยืดหยุ่นแม้ว่าภาคตัดขวางการกระเจิงอาจผันผวนอย่างมากตามฟังก์ชันของพลังงานและไม่สามารถคำนวณได้ทางวิเคราะห์อีกต่อไป กรณีนี้เรียกว่า "สเปกโทรเมตรีการกระเจิงย้อนกลับแบบยืดหยุ่น (ไม่ใช่แบบรัทเทอร์ฟอร์ด)" (EBS) เมื่อเร็ว ๆ นี้มีความก้าวหน้าอย่างมากในการกำหนดภาคตัดขวางการกระเจิง EBS โดยการแก้สมการชโรดิงเกอร์สำหรับแต่ละปฏิสัมพันธ์ อย่างไรก็ตาม สำหรับการวิเคราะห์ EBS ของเมทริกซ์ที่มีธาตุเบา การใช้ข้อมูลภาคตัดขวางการกระเจิงที่วัดได้จากการทดลอง^{[ 2 ] [ 3 ]}ก็ถือเป็นตัวเลือกที่น่าเชื่อถือมากเช่นกัน

เราอธิบายการกระเจิงย้อนกลับของรัทเทอร์ฟอร์ดว่าเป็นการชนแบบยืดหยุ่นระหว่างอนุภาคพลังงานจลน์สูงจากลำแสงตกกระทบ ( ตัวยิง ) กับอนุภาคที่อยู่นิ่งในตัวอย่าง ( เป้าหมาย ) คำ ว่ายืดหยุ่นในบริบทนี้หมายความว่าไม่มีพลังงานถูกดูดซับโดยสถานะภายในของอนุภาคตกกระทบหรืออนุภาคที่อยู่นิ่งระหว่างการชน และการสูญเสียพลังงานของอนุภาคตกกระทบเกิดจากแรงดีดกลับ (โดยปกติจะมีขนาดเล็ก) ของอนุภาค "ที่อยู่นิ่ง" เท่านั้น ปฏิกิริยานิวเคลียร์โดยทั่วไปไม่ใช่การชนแบบยืดหยุ่น เนื่องจาก1การชนอาจส่งผลให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ ซึ่งปลดปล่อยพลังงานออกมาในปริมาณมาก การวิเคราะห์ปฏิกิริยานิวเคลียร์ (NRA) มีประโยชน์ในการตรวจจับธาตุเบา อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่การกระเจิงของรัทเทอร์ฟอร์ด

เมื่อพิจารณาจลนศาสตร์ของการชน (นั่นคือ การอนุรักษ์โมเมนตัมและพลังงานจลน์) พลังงาน E ₁ของอนุภาคที่กระจัดกระจายจะลดลงจากพลังงานเริ่มต้น E ₀ :

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

โดยที่ k เรียกว่าปัจจัยทางจลนศาสตร์และ

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

โดยที่อนุภาคที่ 1 คือตัวยิง อนุภาคที่ 2 คือนิวเคลียสเป้าหมาย และ θ คือมุมการกระเจิงของตัวยิงในกรอบอ้างอิงของ ห้องปฏิบัติการ (นั่นคือ เทียบกับผู้สังเกต) จะใช้เครื่องหมายบวกเมื่อมวลของตัวยิงน้อยกว่ามวลของเป้าหมาย มิเช่นนั้นจะใช้เครื่องหมายลบ ${\displaystyle \theta _{1}}$

แม้ว่าสมการนี้จะคำนวณพลังงานของอนุภาคที่กระเจิงได้อย่างถูกต้องสำหรับมุมการกระเจิงใดๆ (เมื่อเทียบกับผู้สังเกต) แต่ก็ไม่ได้อธิบายถึงความน่าจะเป็นของการสังเกตเหตุการณ์ดังกล่าว สำหรับการนั้น เราจำเป็นต้องใช้ภาคตัดขวางเชิงอนุพันธ์ของเหตุการณ์การกระเจิงย้อนกลับ:

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

โดยที่และคือเลขอะตอมของนิวเคลียสที่พุ่งชนและนิวเคลียสเป้าหมาย สมการนี้เขียนขึ้นในกรอบอ้างอิงศูนย์กลางมวลดังนั้นจึงไม่ใช่ฟังก์ชันของมวลของนิวเคลียสที่พุ่งชนหรือนิวเคลียสเป้าหมาย ${\displaystyle Z_{1}}$${\displaystyle Z_{2}}$

มุมการกระเจิงในกรอบอ้างอิงของห้องปฏิบัติการไม่เหมือนกับมุมการกระเจิงในกรอบอ้างอิงของจุดศูนย์กลางมวล(แม้ว่าสำหรับการทดลอง RBS มุมการกระเจิงมักจะคล้ายกันมาก) อย่างไรก็ตาม ไอออนหนักสามารถทำให้ไอออนเบาเกิดการกระเด็นกลับได้ง่ายซึ่งหากรูปทรงเรขาคณิตเหมาะสม ไอออนเบาเหล่านั้นสามารถถูกดีดออกจากเป้าหมายและตรวจจับได้ นี่คือพื้นฐานของ เทคนิค การตรวจจับการกระเด็นกลับแบบยืดหยุ่น (Elastic Recoil Detectionหรือ ERD ซึ่งมีคำพ้องความหมายว่า ERDA, FRS, HFS) การทดลอง RBS มักใช้ลำแสงฮีเลียมซึ่งทำให้ไฮโดรเจนเกิดการกระเด็นกลับได้ง่าย ดังนั้นจึงมักทำการทดลอง RBS/ERD พร้อมกันเพื่อตรวจสอบปริมาณไอโซโทปของไฮโดรเจนในตัวอย่าง (แม้ว่า H ERD ด้วยลำแสงฮีเลียมที่มีพลังงานสูงกว่า 1 MeV จะไม่เป็นไปตามกฎของรัทเธอร์ฟอร์ด: ดูhttp://www-nds.iaea.org/sigmacalc ) สำหรับ ERD มุมการกระเจิงในกรอบอ้างอิงของห้องปฏิบัติการจะแตกต่างจากมุมการกระเจิงในกรอบอ้างอิงของจุดศูนย์กลางมวลอย่างมาก ${\displaystyle \theta _{1}}$${\displaystyle \theta }$

ไอออนหนักไม่สามารถ กระเจิง กลับจากไอออนเบาได้ เนื่องจากเป็นสิ่งต้องห้ามทางจลนศาสตร์ ปัจจัยทางจลนศาสตร์ต้องคงอยู่จริง และนี่จำกัดมุมการกระเจิงที่อนุญาตในกรอบอ้างอิงของห้องปฏิบัติการ ใน ERD มักจะสะดวกที่จะวางตัวตรวจจับการกระดอนที่มุมการกระดอนที่ใหญ่พอที่จะป้องกันสัญญาณจากลำแสงที่กระเจิง ความเข้มของไอออนที่กระเจิงนั้นมักจะสูงมากเมื่อเทียบกับความเข้มของการกระดอน (สูตรภาคตัดขวางการกระเจิงของรัทเทอร์ฟอร์ดจะเข้าสู่ค่าอนันต์เมื่อมุมการกระเจิงเข้าสู่ศูนย์) และสำหรับ ERD ลำแสงที่กระเจิงมักจะต้องถูกแยกออกจากการวัดด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง

ความผิดปกติในสูตรภาคตัดขวางการกระเจิงของรัทเทอร์ฟอร์ดนั้นไม่สมเหตุสมผลทางกายภาพอย่างแน่นอน หากภาคตัดขวางการกระเจิงเป็นศูนย์ นั่นหมายความว่าอนุภาคจะไม่เข้าใกล้เป้าหมายเลย แต่ในกรณีนี้มันก็จะไม่ทะลุผ่านกลุ่มอิเล็กตรอนที่ล้อมรอบนิวเคลียสด้วยเช่นกัน สูตรคูลอมบ์บริสุทธิ์สำหรับภาคตัดขวางการกระเจิงที่แสดงไว้ข้างต้นจะต้องได้รับการแก้ไขสำหรับผลกระทบจากการบดบัง นี้ ซึ่งจะมีความสำคัญมากขึ้นเมื่อพลังงานของอนุภาคลดลง (หรือเทียบเท่ากับมวลที่เพิ่มขึ้น)

ในขณะที่การกระเจิงมุมกว้างเกิดขึ้นเฉพาะกับไอออนที่กระเจิงออกจากนิวเคลียสของเป้าหมายการกระเจิงมุมเล็กแบบ ไม่ยืดหยุ่น ก็สามารถเกิดขึ้นได้จากอิเล็กตรอนของตัวอย่างเช่นกัน ส่งผลให้พลังงานจลน์ของไอออนที่ตกกระทบค่อยๆ ลดลงเมื่อพวกมันแทรกซึมเข้าไปในตัวอย่าง ดังนั้นการกระเจิงกลับออกจากนิวเคลียสภายในจึงเกิดขึ้นด้วยพลังงานตกกระทบ "ที่มีประสิทธิภาพ" ต่ำกว่า ในทำนองเดียวกัน ไอออนที่กระเจิงกลับจะสูญเสียพลังงานให้กับอิเล็กตรอนเมื่อพวกมันออกจากตัวอย่าง ปริมาณที่พลังงานของไอออนลดลงหลังจากผ่านระยะทางที่กำหนดเรียกว่ากำลังการหยุดยั้งของวัสดุและขึ้นอยู่กับการกระจายตัวของอิเล็กตรอน การสูญเสียพลังงานนี้จะแปรผันอย่างต่อเนื่องกับระยะทางที่เคลื่อนที่ ดังนั้นกำลังการหยุดยั้งจึงแสดงได้ดังนี้

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

สำหรับไอออนพลังงานสูง กำลังการหยุดยั้งมักจะเป็นสัดส่วนกับ; อย่างไรก็ตาม การคำนวณกำลังการหยุดยั้งอย่างแม่นยำนั้นทำได้ยาก ${\displaystyle {\frac {Z_{2}}{E}}}$

กำลังการหยุดยั้ง (หรือเรียกให้ถูกต้องว่า แรงหยุดยั้ง ) มีหน่วยเป็นพลังงานต่อหน่วยความยาว โดยทั่วไปจะระบุเป็นหน่วยฟิล์มบาง นั่นคือ eV/(อะตอม/cm² ⁾เนื่องจากวัดได้จากการทดลองบนฟิล์มบางซึ่งความหนาจะวัดเป็นมวลต่อหน่วยพื้นที่เสมอ ทำให้หลีกเลี่ยงปัญหาการหาความหนาแน่นของวัสดุซึ่งอาจเปลี่ยนแปลงไปตามความหนา ปัจจุบันทราบค่ากำลังการหยุดยั้งสำหรับวัสดุทุกชนิดแล้วที่ประมาณ 2% ดูได้ที่ http://www.srim.org

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องมือ RBS ประกอบด้วยส่วนประกอบสำคัญสามส่วน:

• แหล่งกำเนิดไอออนซึ่ง โดยทั่วไปคือ อนุภาคอัลฟา (ไอออน He ²⁺ ) หรือในบางกรณีอาจเป็นโปรตอน
• เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นที่สามารถเร่งไอออนที่ตกกระทบให้มีพลังงานสูง โดยปกติอยู่ในช่วง 1-3 MeV
• เครื่องตรวจจับที่สามารถวัดพลังงานของ ไอออน ที่กระเจิงกลับในช่วงมุมต่างๆ ได้

ระบบ RBS เชิงพาณิชย์ใช้การจัดเรียงแหล่งกำเนิด/การเร่งอนุภาคสองแบบทั่วไป คือ แบบทำงานหนึ่งขั้นตอนและแบบสองขั้นตอน ระบบแบบขั้นตอนเดียวประกอบด้วยแหล่งกำเนิด He ⁺ที่เชื่อมต่อกับท่อเร่งอนุภาค โดยมีศักย์ไฟฟ้าบวกสูงจ่ายให้กับแหล่งกำเนิดไอออนและต่อลงดินที่ปลายท่อเร่งอนุภาค การจัดเรียงนี้เรียบง่ายและสะดวก แต่การจะได้พลังงานมากกว่า 1 MeV นั้นทำได้ยาก เนื่องจากความยากในการจ่ายแรงดันไฟฟ้าสูงมากให้กับระบบ

ระบบสองขั้นตอน หรือ "เครื่องเร่งอนุภาคแบบแทนเดม" เริ่มต้นด้วยแหล่งกำเนิดไอออน He ⁻และวางขั้วบวกไว้ที่กึ่งกลางของท่อเร่งอนุภาค องค์ประกอบตัวแยกอิเล็กตรอนที่รวมอยู่ในขั้วบวกจะกำจัดอิเล็กตรอนออกจากไอออนที่ผ่านเข้ามา เปลี่ยนไอออน He ⁻ให้เป็นไอออน He ⁺⁺ดังนั้นไอออนจึงเริ่มต้นด้วยการถูกดึงดูดไปยังขั้ว ผ่านเข้ามาและกลายเป็นประจุบวก และถูกผลักออกไปจนกว่าจะออกจากท่อที่กราวด์ การจัดเรียงนี้แม้จะซับซ้อนกว่า แต่ก็มีข้อดีคือสามารถเร่งความเร็วได้สูงขึ้นด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ต่ำกว่า: เครื่องเร่งอนุภาคแบบแทนเดมทั่วไปที่มีแรงดันไฟฟ้า 750 kV สามารถบรรลุพลังงานไอออนได้มากกว่า 2 MeV ^{[ 6 ]}

เครื่องตรวจจับที่ใช้วัดพลังงานกระเจิงกลับมักจะเป็น เครื่องตรวจจับแบบ ซิลิคอนเซอร์ซูพีเรียร์แบริเออร์ (Surface Barrier Detector ) ซึ่งเป็นชั้นซิลิคอน ชนิด Pบางมาก (100 นาโนเมตร) บนพื้นผิวชนิด N ที่สร้างเป็น รอยต่อ pn ไอออน ที่มาถึงเครื่องตรวจจับจะสูญเสียพลังงานบางส่วนไปกับการ กระเจิง แบบไม่ยืดหยุ่นจากอิเล็กตรอน และอิเล็กตรอนบางส่วนจะได้รับพลังงานมากพอที่จะเอาชนะช่องว่างพลังงานระหว่างแถบวา เลนซ์ และแถบนำไฟฟ้า ของสารกึ่งตัวนำ ซึ่งหมายความว่าไอออนแต่ละตัวที่ตกกระทบเครื่องตรวจจับจะสร้างคู่ของอิเล็กตรอน-โฮล จำนวนหนึ่ง ซึ่งขึ้นอยู่กับพลังงานของไอออน คู่เหล่านี้สามารถตรวจจับได้โดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้าคร่อมเครื่องตรวจจับและวัดกระแสไฟฟ้า ซึ่งเป็นการวัดพลังงานของไอออนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานของไอออนและจำนวนคู่ของอิเล็กตรอน-โฮลที่เกิดขึ้นจะขึ้นอยู่กับวัสดุของเครื่องตรวจจับ ชนิดของไอออน และประสิทธิภาพของการวัดกระแสไฟฟ้า ความละเอียดของพลังงานขึ้นอยู่กับความผันผวนทางความร้อน หลังจากไอออนหนึ่งตัวตกกระทบกับตัวตรวจจับ จะมีช่วงเวลาหยุดนิ่งก่อนที่คู่อิเล็กตรอน-โฮลจะรวมตัวกันใหม่ ซึ่งไอออนที่ตกกระทบตัวที่สองจะไม่สามารถแยกแยะออกจากไอออนตัวแรกได้^{[ 7 ]}

การตรวจจับที่ขึ้นอยู่กับมุมสามารถทำได้โดยใช้ตัวตรวจจับที่เคลื่อนที่ได้ หรือในทางปฏิบัติมากกว่านั้นคือการแยกตัวตรวจจับพื้นผิวออกเป็นเซลล์อิสระหลายเซลล์ซึ่งสามารถวัดได้อย่างอิสระ ครอบคลุมช่วงมุมต่างๆ รอบการกระเจิงกลับโดยตรง (180 องศา) การควบคุมการเปลี่ยนแปลงมุมของลำแสงตกกระทบทำได้โดยใช้แท่นวางตัวอย่างที่ปรับเอียงได้

การสูญเสียพลังงานของไอออนที่กระเจิงกลับขึ้นอยู่กับสองกระบวนการ ได้แก่ พลังงานที่สูญเสียไปในเหตุการณ์การกระเจิงกับนิวเคลียสของตัวอย่าง และพลังงานที่สูญเสียไปจากการกระเจิงมุมเล็กจากอิเล็กตรอนของตัวอย่าง กระบวนการแรกขึ้นอยู่กับพื้นที่หน้าตัดการกระเจิงของนิวเคลียส และดังนั้นจึงขึ้นอยู่กับมวลและเลขอะตอมของมัน สำหรับมุมการวัดที่กำหนด นิวเคลียสของธาตุสองชนิดที่แตกต่างกันจึงจะกระเจิงไอออนที่ตกกระทบในระดับที่แตกต่างกันและด้วยพลังงานที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดยอดแยกกันบนกราฟ N(E) ของจำนวนการวัดเทียบกับพลังงาน ยอดเหล่านี้เป็นลักษณะเฉพาะของธาตุที่อยู่ในวัสดุ ทำให้สามารถวิเคราะห์องค์ประกอบของตัวอย่างได้โดยการจับคู่พลังงานที่กระเจิงกับพื้นที่หน้าตัดการกระเจิงที่ทราบแล้ว ความเข้มข้นสัมพัทธ์สามารถกำหนดได้โดยการวัดความสูงของยอด

กระบวนการสูญเสียพลังงานแบบที่สอง คือ พลังงานหยุดยั้งของอิเล็กตรอนในตัวอย่าง ไม่ได้ทำให้เกิดการสูญเสียแบบแยกส่วนขนาดใหญ่เหมือนที่เกิดจากการชนกันของนิวเคลียส แต่จะสร้างการสูญเสียพลังงานอย่างค่อยเป็นค่อยไป โดยขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของอิเล็กตรอนและระยะทางที่เคลื่อนที่ผ่านตัวอย่าง การสูญเสียพลังงานนี้จะลดพลังงานที่วัดได้ของไอออนที่กระเจิงกลับจากนิวเคลียสภายในตัวอย่างอย่างต่อเนื่อง โดยขึ้นอยู่กับความลึกของนิวเคลียส ผลที่ได้คือ แทนที่จะได้ยอดการกระเจิงกลับที่คมชัดอย่างที่คาดหวังไว้ในกราฟ N(E) ซึ่งความกว้างกำหนดโดยพลังงานและความละเอียดเชิงมุม ยอดที่สังเกตได้จะค่อยๆ ลดลงไปสู่พลังงานที่ต่ำลงเมื่อไอออนเคลื่อนที่ผ่านความลึกที่ธาตุนั้นครอบครอง ธาตุที่ปรากฏเฉพาะที่ความลึกบางระดับภายในตัวอย่างจะมีตำแหน่งยอดเลื่อนไปในปริมาณที่แสดงถึงระยะทางที่ไอออนต้องเคลื่อนที่ไปถึงนิวเคลียสเหล่านั้น

ในทางปฏิบัติแล้ว โปรไฟล์ความลึกขององค์ประกอบสามารถกำหนดได้จากการวัด RBS N(E) องค์ประกอบที่อยู่ในตัวอย่างสามารถระบุได้จากตำแหน่งของยอดในสเปกตรัมพลังงาน ความลึกสามารถกำหนดได้จากความกว้างและตำแหน่งที่เลื่อนไปของยอดเหล่านี้ และความเข้มข้นสัมพัทธ์จากความสูงของยอด วิธีนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการวิเคราะห์ตัวอย่างหลายชั้น หรือสำหรับตัวอย่างที่มีองค์ประกอบเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องตามความลึก

การวัดแบบนี้สามารถใช้เพื่อกำหนดองค์ประกอบทางเคมีเท่านั้น โครงสร้างทางเคมีของตัวอย่างไม่สามารถกำหนดได้จากโปรไฟล์ N(E) อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้ที่จะเรียนรู้บางสิ่งเกี่ยวกับเรื่องนี้ผ่าน RBS โดยการตรวจสอบโครงสร้างผลึก ข้อมูลเชิงพื้นที่ประเภทนี้สามารถตรวจสอบได้โดยใช้ประโยชน์จากการปิดกั้นและการส่งผ่านแสง

เพื่อให้เข้าใจปฏิสัมพันธ์ระหว่างลำแสงนิวเคลียสที่ตกกระทบกับโครงสร้างผลึกอย่างถ่องแท้ จำเป็นต้องเข้าใจแนวคิดสำคัญอีกสองประการ ได้แก่การปิดกั้นและการส่งผ่านลำแสง

เมื่อลำแสงไอออนที่มีวิถีการเคลื่อนที่ขนานกันตกกระทบอะตอมเป้าหมาย การกระเจิงจากอะตอมนั้นจะป้องกันการชนกันในบริเวณรูปทรงกรวย "ด้านหลัง" เป้าหมายเมื่อเทียบกับลำแสง ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากศักย์ผลักของอะตอมเป้าหมายทำให้วิถีการเคลื่อนที่ของไอออนที่อยู่ใกล้กันเบี่ยงเบนออกจากเส้นทางเดิม และเรียกว่าการปิดกั้น (blocking ) รัศมีของบริเวณที่ถูกปิดกั้นนี้ ที่ระยะ L จากอะตอมเดิม กำหนดโดย

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

เมื่อไอออนกระเจิงจากส่วนลึกภายในตัวอย่าง มันสามารถกระเจิงซ้ำกับอะตอมที่สองได้ ทำให้เกิดกรวยปิดกั้นที่สองในทิศทางของวิถีการกระเจิง ซึ่งสามารถตรวจจับได้โดยการปรับมุมการตรวจจับอย่างระมัดระวังเมื่อเทียบกับมุมตกกระทบ

ปรากฏการณ์แชนเนลลิ่งเกิดขึ้นเมื่อลำแสงตกกระทบอยู่ในแนวเดียวกับแกนสมมาตรหลักของผลึก นิวเคลียสที่ตกกระทบซึ่งหลีกเลี่ยงการชนกับอะตอมบนพื้นผิวจะถูกกีดกันจากการชนกับอะตอมทั้งหมดที่อยู่ลึกเข้าไปในตัวอย่าง เนื่องจากการปิดกั้นโดยชั้นแรกของอะตอม เมื่อระยะห่างระหว่างอะตอมมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับรัศมีของกรวยที่ถูกปิดกั้น ไอออนที่ตกกระทบสามารถทะลุผ่านได้หลายเท่าของระยะห่างระหว่างอะตอมโดยไม่เกิดการกระเจิงกลับ ซึ่งอาจส่งผลให้สัญญาณการกระเจิงกลับที่สังเกตได้ลดลงอย่างมากเมื่อลำแสงตกกระทบอยู่ในแนวเดียวกับทิศทางสมมาตรทิศทางใดทิศทางหนึ่ง ทำให้สามารถกำหนดโครงสร้างผลึกปกติของตัวอย่างได้ ปรากฏการณ์แชนเนลลิ่งทำงานได้ดีที่สุดสำหรับรัศมีปิดกั้นที่เล็กมาก เช่น สำหรับไอออนที่ตกกระทบที่มีพลังงานสูงและเลขอะตอมต่ำ เช่นHe ⁺

ค่าความคลาดเคลื่อนของการเบี่ยงเบนของมุมตกกระทบของลำแสงไอออนเมื่อเทียบกับทิศทางสมมาตรขึ้นอยู่กับรัศมีของการปิดกั้น ทำให้มุมเบี่ยงเบนที่อนุญาตได้เป็นสัดส่วนกับ

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

ในขณะที่ความเข้มของยอด RBS ลดลงตลอดความกว้างส่วนใหญ่เมื่อลำแสงถูกควบคุมทิศทาง มักจะสังเกตเห็นยอดแคบๆ ที่ปลายพลังงานสูงของยอดที่ใหญ่กว่า ซึ่งแสดงถึงการกระเจิงที่พื้นผิวจากชั้นแรกของอะตอม การปรากฏของยอดนี้เปิดโอกาสให้สามารถทำการวัด RBS ด้วยความไวต่อพื้นผิวได้

นอกจากนี้ การเคลื่อนตัวของไอออนยังสามารถใช้ในการวิเคราะห์ตัวอย่างผลึกเพื่อหาความเสียหายของโครงสร้างผลึกได้อีกด้วย^{[ 10 ]}หากอะตอมภายในเป้าหมายถูกเคลื่อนย้ายออกจากตำแหน่งโครงสร้างผลึก จะส่งผลให้ผลผลิตการกระเจิงย้อนกลับสูงขึ้นเมื่อเทียบกับผลึกที่สมบูรณ์แบบ การเปรียบเทียบสเปกตรัมจากตัวอย่างที่กำลังวิเคราะห์กับสเปกตรัมจากผลึกที่สมบูรณ์แบบ และสเปกตรัมที่ได้จากการวางแนวแบบสุ่ม (ไม่ใช่การเคลื่อนตัว) (ซึ่งเป็นตัวแทนของสเปกตรัมจากตัวอย่างอสัณฐาน) จะทำให้สามารถกำหนดขอบเขตของความเสียหายของผลึกได้ในแง่ของเศษส่วนของอะตอมที่ถูกเคลื่อนย้าย การคูณเศษส่วนนี้ด้วยความหนาแน่นของวัสดุเมื่อเป็นอสัณฐานจะให้ค่าประมาณสำหรับความเข้มข้นของอะตอมที่ถูกเคลื่อนย้าย พลังงานที่เกิดการกระเจิงย้อนกลับที่เพิ่มขึ้นยังสามารถใช้ในการกำหนดความลึกที่อะตอมที่ถูกเคลื่อนย้ายอยู่ และสามารถสร้างโปรไฟล์ความลึกของข้อบกพร่องได้ในที่สุด

แม้ว่าโดยทั่วไปแล้ว RBS จะใช้ในการวัดองค์ประกอบและโครงสร้างโดยรวมของตัวอย่าง แต่ก็เป็นไปได้ที่จะได้ข้อมูลบางอย่างเกี่ยวกับโครงสร้างและองค์ประกอบของพื้นผิวตัวอย่าง เมื่อสัญญาณถูกกรองเพื่อกำจัดสัญญาณโดยรวม การปรับมุมตกกระทบและมุมตรวจจับอย่างระมัดระวังสามารถใช้เพื่อกำหนดตำแหน่งสัมพัทธ์ของอะตอมในชั้นแรกๆ โดยใช้ประโยชน์จากผลกระทบของการปิดกั้น

โครงสร้างพื้นผิวของตัวอย่างสามารถเปลี่ยนแปลงไปจากอุดมคติได้หลายวิธี ชั้นอะตอมแรกอาจเปลี่ยนระยะห่างจากชั้นถัดไป ( การผ่อนคลาย ) อาจมีโครงสร้างสองมิติที่แตกต่างจากเนื้อวัสดุ ( การสร้างใหม่ ) หรืออาจมีวัสดุอื่นถูกดูดซับลงบนพื้นผิว แต่ละกรณีเหล่านี้สามารถตรวจจับได้ด้วย RBS ตัวอย่างเช่น การสร้างพื้นผิวใหม่สามารถตรวจจับได้โดยการจัดแนวลำแสงในลักษณะที่ควรเกิดการแชนเนลลิ่ง เพื่อให้ตรวจพบเฉพาะยอดพื้นผิวที่มีความเข้มที่ทราบค่าเท่านั้น ความเข้มที่สูงกว่าปกติหรือยอดที่กว้างกว่าจะบ่งชี้ว่าชั้นอะตอมแรกไม่สามารถปิดกั้นชั้นด้านล่างได้ กล่าวคือ พื้นผิวได้รับการสร้างใหม่แล้ว การผ่อนคลายสามารถตรวจจับได้ด้วยขั้นตอนที่คล้ายกัน โดยเอียงตัวอย่างเพื่อให้ลำแสงไอออนตกกระทบในมุมที่เลือกไว้ เพื่อให้ชั้นอะตอมแรกปิดกั้นการกระเจิงย้อนกลับในแนวทแยงมุม นั่นคือ จากอะตอมที่อยู่ด้านล่างและเคลื่อนที่ออกจากอะตอมที่ปิดกั้น ค่าการกระเจิงย้อนกลับที่สูงกว่าที่คาดไว้จะบ่งชี้ว่าชั้นแรกมีการเคลื่อนที่ไปจากชั้นที่สอง หรือเกิดการผ่อนคลาย วัสดุดูดซับจะถูกตรวจพบได้จากองค์ประกอบที่แตกต่างกัน ซึ่งจะทำให้ตำแหน่งของยอดสูงสุดบนพื้นผิวเปลี่ยนแปลงไปจากตำแหน่งที่คาดไว้

นอกจากนี้ RBS ยังถูกใช้เพื่อวัดกระบวนการที่ส่งผลต่อพื้นผิวแตกต่างจากเนื้อวัสดุโดยการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงในยอดพื้นผิวแบบช่อง ตัวอย่างที่รู้จักกันดีคือการวิเคราะห์ RBS ของการหลอมละลายก่อนกำหนดของพื้นผิวตะกั่วโดย Frenken, Maree และ van der Veen ในการวัด RBS ของพื้นผิว Pb (110)พบว่ายอดพื้นผิวที่กำหนดไว้อย่างดีซึ่งมีเสถียรภาพที่อุณหภูมิต่ำจะกว้างขึ้นและมีความเข้มมากขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นเกินสองในสามของอุณหภูมิหลอมเหลวของเนื้อวัสดุ ยอดดังกล่าวมีความสูงและความกว้างเท่ากับเนื้อวัสดุเมื่ออุณหภูมิถึงอุณหภูมิหลอมเหลว การเพิ่มขึ้นของความไม่เป็นระเบียบของพื้นผิวนี้ ทำให้มองเห็นอะตอมที่อยู่ลึกกว่าได้ด้วยลำแสงตกกระทบ ซึ่งถูกตีความว่าเป็นการหลอมละลายก่อนกำหนดของพื้นผิว และการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ของกระบวนการ RBS ให้ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันเมื่อเปรียบเทียบกับการคาดการณ์การหลอมละลายก่อนกำหนดทางทฤษฎี^{[ 11 ]}

RBS ยังถูกรวมเข้ากับกล้องจุลทรรศน์นิวเคลียร์ด้วย โดยลำแสงไอออนที่โฟกัสจะถูกสแกนไปทั่วพื้นผิวในลักษณะที่คล้ายกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนการวิเคราะห์พลังงานของสัญญาณที่กระเจิงกลับในแอปพลิเคชันประเภทนี้จะให้ข้อมูลองค์ประกอบเกี่ยวกับพื้นผิว ในขณะที่ไมโครโพรบเองสามารถใช้ตรวจสอบคุณลักษณะต่างๆ เช่น โครงสร้างพื้นผิวเป็นระยะ^{[ 12 ]}