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核反応分析（NRA）は、材料科学における核分光法の核的手法であり、固体薄膜中の特定の対象化学元素の濃度と深さの分布を取得するために用いられる。 [ 1 ]
運動エネルギーE kinを持つ特定の入射原子核を照射すると、標的となる固体薄膜化学元素は、明確に定義された共鳴エネルギーにおいて共鳴条件下で核反応を起こすことがある。反応生成物は通常、励起状態にある原子核であり、これは直ちに崩壊して電離放射線を放出する。
深さ情報を得るには、入射核の初期運動エネルギー（共鳴エネルギーを超える必要がある）と試料内での阻止能（移動距離あたりのエネルギー損失）を知る必要がある。核反応に寄与するためには、入射核は試料内で減速して共鳴エネルギーに達する必要がある。したがって、それぞれの初期運動エネルギーは、試料内で反応が起こる深さに対応する（エネルギーが高いほど、反応は深くなる）。
例えば、高エネルギーの15Nイオンビームを用いて水素をプロファイルするために一般的に用いられる反応は、
6.385 MeV での反応断面積にわずか 1.8 keV の鋭い共鳴が見られる。[ 3 ] 入射する15Nイオンは物質中を進むにつれてエネルギーを失うため、ターゲットの奥深くにある水素原子核との核反応を誘発するには、共鳴エネルギーよりも高いエネルギーを持たなければならない。
この反応は通常1 H( 15 N,αγ) 12 Cと表記されます。 [ 4 ] Q 値がゼロではないため(この場合は 4.965 MeV)、 非弾性 です。ラザフォード後方散乱(RBS) 反応は弾性 (Q = 0) であり、相互作用 (散乱) 断面積σは、1911 年にラザフォード卿によって導出された有名な式で与えられます。しかし、非ラザフォード断面積 (いわゆるEBS、 弾性後方散乱分光法) も共鳴することがあります。たとえば、16 O(α,α) 16 O 反応は、3038.1 ± 1.3 keV で強く非常に有用な共鳴を持ちます。[ 5 ]
1H ( 15N ,αγ) 12C反応（あるいは実際には15N (p,αγ) 12C逆反応）では、高エネルギーのγ線が反応に特徴的に放出され、入射エネルギーに関わらず検出されるγ線の数は、試料中のそれぞれの深さにおける水素濃度に比例します。反応断面積のピークが狭いため、主に共鳴エネルギーのイオンが核反応を起こします。したがって、15N入射ビームのエネルギーを変化させることで、水素分布に関する情報を容易に得ることができます。
水素は、ラザフォード後方散乱分光法では分析できない元素である。なぜなら、水素から後方散乱する原子は存在しないからである（すべての原子は水素より重いため）。しかし、水素は弾性反跳検出法によって分析されることが多い。
NRAは非共鳴でも使用できます（もちろん、RBSは非共鳴です）。たとえば、重水素は、入射エネルギーを変更することなく、3Heビームを使用して簡単にプロファイルできます。
反応は通常2 H( 3 He,p)α と表記される。検出される高速プロトンのエネルギーは、試料中の重水素原子の深さに依存する。[ 6 ]