Космические лучи

Содержание

Введение 1

Теоретические сведения 3

Важнейшие этапы  в изучении космических лучей 3

Характеристики  космических лучей 5

Теорема Лиувилля 7

Классификация космических лучей 8

Солнечные космические  лучи 9

Галактические и метагалактические космические  лучи 13

Происхождение 13

Состав и  траектория 15

Энергетический  спектр 17

Вторичные космические  лучи 19

Взаимодействие  первичных космических лучей  с атмосферой 19

Частицы, составляющие вторичные космические лучи 22

Применение 24

Роль космических  лучей в ядерной физике и астрофизике 24

Роль космических  лучей в изучении дальнего и ближнего космоса 25

«Рентгеноскопия» 27

Радиоуглеродная датировка в археологии 29

Применение  космических лучей для связи 30

Список литературы 34

Введение

 

Конец XIX – начало XX века ознаменовались новыми открытиями в  области микромира. После открытия рентгеновских лучей и радиоактивности  были обнаружены заряженные частицы, приходящие на Землю из космического пространства. Эти частицы были названы космическими лучами (КЛ).

Датой открытия космических  лучей принято считать 1912 год, когда  австрийский физик В.Ф. Гесс с  помощью усовершенствованного электроскопа измерил скорость ионизации воздуха  в зависимости от высоты. Оказалось, что с ростом высоты величина ионизации  сначала уменьшается, а затем  на высотах свыше 2000 м начинает резко  возрастать. Ионизующее излучение, слабо  поглощаемое воздухом и увеличивающееся  с увеличением высоты, образуется КЛ, падающими на границу атмосферы  из космического пространства.

КЛ представляют собой  ядра различных элементов, следовательно, являются заряженными частицами. Наиболее многочисленны в КЛ ядра атомов водорода и гелия (~85 и ~10 % соответственно). Доля ядер всех остальных элементов таблицы Менделеева не превышает ~5 %. Небольшую часть КЛ составляют электроны и позитроны (менее 1 %).

В процессах, происходящих во Вселенной, КЛ играют важную роль. Плотность энергии КЛ в нашей Галактике составляет ~1 эВ/см3, что сравнимо с плотностями энергий межзвездного газа и галактического магнитного поля.

Средняя плотность энергии  первичных космических лучей  во всем объеме Галактики равна приблизительно 10-12 эрг/см3, что сравнимо с плотностью других видов энергий в Галактике: гравитационной, магнитной, кинетической энергий межзвездного газа. Таким  образом, в энергетическом балансе  нашей Галактики космические  лучи играют существенную роль.

Изучение космических  лучей имеет большое теоретико-прикладное значение, особенно для проблем космических  полетов, астрофизики высоких энергий, вопросов взаимодействия частиц и изучения их свойств. С использованием космического излучения связаны некоторые  методы в археологии, возможность «рентгеноскопии» массивных твердых объектов.

Для изучения космических  лучей широко используются методы и  приборы, разработанные ядерной  физикой. При этом хорошо известные  методы магнитного анализа импульсов  частиц и метод определения проникающей  способности излучений путем  исследования их поглощения в различных  веществах претерпевают очень интересную трансформацию. Магнитное поле Земли  служит естественным анализатором импульсов  космических частиц (так называемый метод «широтного эффекта»), а земная атмосфера – поглотителем. Явления, вызываемые какой-нибудь космической частицей очень высокой энергии в атмосфере иногда охватывают десятки квадратных километров, и для их регистрации приходится строить огромные установки. Для изучения космических лучей также широко распространено использование высокогорных станций, баллонов (воздушных шаров), спутников Земли, ракет, межпланетных и орбитальных станций.

Теоретические сведения

Важнейшие этапы в изучении космических  лучей

В 1929 г. советский физик  Д. В. Скобельцын применил для исследования космических лучей камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Такой метод исследования  дал возможность «увидеть», за счет ионизации, следы (треки) космических частиц, что дало неопровержимое доказательство гипотезы о том, что космические лучи состоят из заряженных частиц. Скобельцын обнаружил слабо изогнутые магнитным полем следы как отрицательно, так и положительно заряженных частиц. Кроме того, Скобельцын впервые обнаружил группы частиц с высокой энергией, получивших в дальнейшем название атмосферных ливней, образуемых космическими лучами.

Спустя 3 года американский физик К. Андерсон воспользовался усовершенствованным методом Скобельцына - он применил магнитное поле, в десять раз сильнее поля, применявшегося Скобельцыным и разделил камеру на две части свинцовой пластинкой. При прохождении через свинцовую пластинку частица замедляется, и ее путь искривляется магнитным полем сильнее. Таким образом, Андерсон получил фотографию частицы, траектория которой была изогнута в противоположную электронам сторону, при этом радиус кривизны и характер трека показали, что эта частица обладает массой электрона и положительным зарядом, равным заряду электрона. Эту частицу Андерсон назвал позитрон. А примерно семь лет спустя он же обнаружил аналог электрона, но с массой, в 207 раз большей, - мюон. Открытие новых частиц в составе космических лучей продолжалось и далее. В середине 40-х годов английский физик С. Пауэлл открыл новую ядерно-активную частицу - пион, а в конце 40-х годов в Англии Батлером (C.C. Batler) и Баркером (K.H. Barker) были открыты частицы, за свои необычные свойства получившие название странных, - К-мезоны и гипероны.

Большую роль в изучении космических лучей сыграл следующий  эксперимент: два счетчика А и В расположили по вертикали и включили в схему совпадений. Между ними поместили свинцовый фильтр. Эксперимент состоял в определении числа совпадений сигналов в счетчиках в зависимости от толщины фильтра. Были получены следующие результаты:

 

1 – уровень моря, 2 –  3200 м над уровнем моря.

Из графика видно, что  сначала при увеличении толщины фильтра число совпадений резко уменьшается, а затем после достижения 10 см изменение замедляется. Частицы, которые поглощаются в 10 см Pb назвали «мягкими», остальные – «жесткими». Дальнейшее изучение показало, что мягкая компонента состоит из электронов и позитронов вторичного происхождения, а жесткая компонента − из мюонов тоже вторичного происхождения. Масса мюона примерно в 200 раз больше массы электрона. Они поглощаются значительно медленнее, и расходуют основную часть энергии на ионизацию атомов.

Впоследствии с космическими лучами были проведены многие тысячи опытов несколькими поколениями физиков в разных странах мира. Опыты ставили на разных высотах в атмосфере Земли, стратосфере на шарах-зондах, на самолетах, на высотах гор, в подземных лабораториях и, наконец, вне атмосферы, на искусственных спутниках Земли.

В итоге было установлено, что

Космические лучи - это поток заряженных частиц высокой энергии, преимущественно протонов, приходящих к Земле приблизительно изотропно со всех направлений космического пространства.

Это определение относится  к первичным космическим лучам, то есть космическим лучам, не достигшим  атмосферы Земли.  В результате взаимодействия с ядрами атмосферы первичные космические лучи (в основном протоны) создают большое число вторичных частиц - пионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов, позитронов и фотонов. Более подробно первичные, вторичные космические лучи, и их состав будут рассмотрены в разделе «Классификация».

Характеристики космических лучей

Важнейшей характеристикой  потока космического излучения является его интенсивность. Интенсивность  по заданному направлению  определяется, как число частиц с энергией в интервале от Е до Е+dE, пересекающих площадку единичного размера, ориентированную перпендикулярно направлению , в единицу времени и в единице телесного угла

J

Где , и - элементы площади, времени и телесного угла соответственно.

Кроме интенсивности часто  рассматривают поток частиц, определяемый как число частиц, проходящих через  единичную горизонтальную площадку в единицу времени

I(E)= J ,

И глобальную интенсивность

I⁰(E)= J .

В случае изотропии излучения  в верхней полусфере

I(E)= J₀(E)

Интересно отметить, каковы потоки частиц при различных энергиях. Так, при энергии ~10 ГэВ их поток  составляет 1 частицу на 1 м² в 1 сек, в ПэВ-ной области – 1 частица на 1 м² в 1 год, а при близких к максимальным энергиям, при нескольких ЕэВ, – 1 частица на 1 км² в 1 год.

При изучении движения космических  частиц в Галактике, где интенсивность  космических частиц постоянна в  обширных областях, иногда удобно ввести концентрацию частиц n(E)= J (E)/v, где v – скорость частиц. При изотропном распределении излучения

n(E)=4 J (E)/v.

Интегральная концентрация частиц с энергией выше Е

n(>E)=4 J (E)dE/v.

Часто рассматривают кинетическую энергию T=E-mc2. Плотность этой энергии

w=4 T J (E)dE/v.

Величина J(E)=dN/dE, т.е. интенсивность частиц в единичном энергетическом интервале при средней энергии Е, называется дифференциальным энергетическим спектром. Аналогично определяют импульсный спектр J (р)= dN/dр, который связан с энергетическим простыми преобразованиями. Пользуются также и представлением спектров в интегральной форме

J (>E)= J (E)dE.

Важной характеристикой  космического излучения является степень  его анизотропии, характеризуемая  коэффициентом анизотропии  . Если по некоторому направлению ₁ наблюдается максимум интенсивности J_макс( ₁), а по другому – минимум J_мин ( ₂), то

= ( J_макс( ₁) - J_мин ( ₂))/( J_макс( ₁) + J_мин ( ₂))

Теорема Лиувилля

При исследовании движения частиц в космическом пространстве решение задач иногда упрощается, если воспользоваться теоремой Лиувилля, доказываемой в статистической механике.

Каждую частицу можно  описать шестью переменными в  геометрическом и импульсном пространстве x, y, z, p_x, p_y, p_z. Теорема Лиувилля состоит в том, что плотность частиц в фазовом пространстве dVdp не меняется с течением времени:

n(r,p)=dn(r,p)/dVdp=const.

Обычно в космических  лучах измеряют интенсивность J, которая связана с плотностью частиц соотношением n(E)=4 J(E)/v. Тогда из теоремы Лиувиллся J (р) и J (р)dp=vp²n(r,p).

Если перейти к энергетической переменной E=pv, то J(p)dp=vp²n(r,p).

Если перейти к энергетической переменной Е=pv, то J(E)dE=J[p(E)](dp/dE)dE= J (p)(p/E)dE

Поэтому

J (E)=(p/E)vp²n(r,p)=p²n(r,p),

а следовательно

J(E)/p²=n(r,p)=const

вдоль любой траектории движения в фазовом пространстве.

Классификация космических лучей

 

Различают первичные космические  лучи - космические лучи до входа  в атмосферу и вторичные космические  лучи, образовавшиеся в результате процессов взаимодействия первичных  космических лучей с атмосферой Земли.

Первичные космические лучи по происхождению разделяют на:

- солнечные космические  лучи

- галактические космические  лучи

- метагалактические космические  лучи

Источником солнечных  космических лучей является наше Солнце. Источником галактических космических  лучей являются звезды, главным образом, так называемые сверхновые звезды нашей  Галактики. Метагалактические космические  лучи приходят к нам из других Галактик. Их интенсивность существенно меньше, чем галактических лучей, но они  содержат частицы очень большой  энергии.

Солнечные космические лучи

Солнечные космические лучи  - это поток заряженных частиц, ускоряемых до высоких энергий в верхней  части атмосферы Солнца во время  солнечных вспышек. Таким образом,  солнечные космические лучи проявляют себя эпизодически, после крупных хромосферных вспышек в период большой активности Солнца. Солнечные космические лучи регистрируются у Земли в виде внезапных резких повышений интенсивности космических лучей на фоне галактических космических лучей. Полученный из наблюдений верхний предел энергии частиц солнечных космических лучей эВ. Нижняя граница их энергии неопределенна ( эВ). Во время некоторых вспышек она опускается ниже 10⁵ эВ, то есть, по существу, смыкается с верхней границей энергии частиц солнечного ветра. Условно принятый нижний предел энергии солнечных космических лучей составляет 10⁵-10⁶ эВ.

Основную долю солнечных космических лучей составляют протоны с   эВ (~98%), заметную долю (~1.5% ) составляют ядра гелия, в очень малых количествах имеются также ядра с зарядом  и энергией E_K от 0,1 до 100 МэВ/нуклон, электроны с   кэВ (экспериментальный предел). Зарегистрированы заметные потоки дейтронов ²H, установлено наличие трития ³H. В некоторых вспышках генерируется значительное количество ядер редкого изотопа ³He. Относительное содержание ядер с   в основном отражает состав солнечной атмосферы, тогда как доля протонов меняется от вспышки к вспышке.

Протон – ядро атома водорода, элементарная частица, относящаяся к классу барионов (барионы -  семейство элементарных частиц: сильно взаимодействующие фермионы, состоящие из трёх кварков). Вместе с нейтроном протон входит в состав всех атомных ядер, определяя величину его электрического заряда. Масса протона m_р = 938.27 МэВ/с² ≈ 1.673·10^-24 г. Его спин (собственный момент импульса) 1/2ћ и поэтому он является фермионом (фермион – частица с полуцелым значением спина). Протон имеет положительный электрический заряд (равный по величине заряду электрона е) и магнитный момент μ_р = +2.79μ_N, где μ_N = ећ/2m_рс – ядерный магнетон (использована Гауссова система единиц). Если бы протон был бесструктурной точечной частицей, то его магнитный момент был бы близок к μ_N. Размер протона около 10^-13 см. Он состоит из трёх кварков: двух u-кварков и одного d-кварка, то есть его кварковая структура uud.  
Протон, являясь барионом, имеет барионное число В = +1. Закон сохранения барионного числа требует стабильности протона – самого лёгкого из барионов. Действительно, распад протона никогда не наблюдался и его время жизни τ_р > 2.1·10²⁹ лет и, по-видимому, даже превышает 10³² лет.  Протон является адроном, то есть участвует в сильном взаимодействии, как и во всех остальных.