Космические лучи

Альфа-частица (или α-частица) – ядро атома гелия, состоящее из связанных вместе двух протонов и двух нейтронов. Обычно обозначается α или  , где верхний индекс - полное число протонов и нейтронов в ядре гелия, а нижний – число протонов. Альфа-частица имеет заряд +2е, где е – величина элементарного заряда, и обладает повышенной устойчивостью и плотностью. Она представляет собой сферически симметричный объект радиусом около 2·10^-13 см. Плотность материи и электрического заряда максимальна в центре альфа-частицы и спадает к её периферии. 
По распространённости в природе (около 9% всех ядер) ядра гелия уступают только ядрам водорода (около 90%). Масса альфа-частицы 4.0015 атомных единиц массы или 6.645·10^-27 кг. Энергия, необходимая для расщепления альфа-частицы на составляющие её протоны и нейтроны, около 28.3 МэВ (или 4.53·10^-13 Дж). Альфа-частицы самопроизвольно испускаются при распаде многих тяжёлых ядер. Возникающий при этом вид распада (радиоактивности) атомных ядер носит название альфа-распада или альфа-радиоактивности. Например, в результате взаимодействия ядра лития-6 с дейтроном могут образоваться две альфа-частицы: ⁶Li+²H=⁴He+⁴He.

Электрон – самая лёгкая отрицательно заряженная частица, составная часть атома. Электрон в атоме связан с центральным положительно заряженным ядром электростатическим притяжением. Он имеет отрицательный заряд е =1.602^.10^-19 Кл, массу m_е = 0.511 МэВ/с² = 9.11^.10^-28 г и спин 1/2 (в единицах ћ), т.е. является фермионом. Магнитный момент электрона μ_е>>μ_В, где μ_В = ећ/2m_ес – магнетон Бора (использована Гауссова система единиц), что согласуется с моделью точечноподобной бесструктурной частицы (согласно опытным данным размер электрона < 10^-17 см). В пределах точности эксперимента электрон стабильная частица. Его время жизни  
τ_е >4.6^.10²⁶ лет. 
Электрон принадлежит к классу лептонов, т.е. не участвует в сильном взаимодействии (участвует в остальных – электромагнитном, слабом и гравитационном). Описание электромагнитного взаимодействия электрона даётся квантовой электродинамикой – одним из разделов квантовой теории поля). У электрона имеется специальная характеристика, присущая лептонам, электронное лептонное число + 1.  
Античастицей электрона является позитрон е⁺ , отличающийся от электрона только знаками электрического заряда, лептонного числа и магнитного момента. 

Дейтро́н (дейто́н) — ядро изотопа водорода — дейтерия — с массовы числом A=2. Дейтрон состоит из 1 протона и 1 нейтрона. Стабилен. Не имеет возбуждённых состояний. Дейтрон является очень слабосвязанным ядром, его энергия связи равна лишь 2,22457 МэВ. Это единственное известное ядро, состоящее из двух нуклонов. Масса дейтрона равна 3,343 583 20(17)·10⁻²⁷ кг, или 1875,612 793(47) МэВ. Спин дейтрона равен 1, чётность положительна.

Дейтроны постоянно образуются в природе при захвате тепловых нейтронов свободными протонами  в водородсодержащих средах:

p + n → d + γ + 2,22 МэВ.

Однако бо́льшая часть всех дейтронов во Вселенной образовалась (в основном по этой же реакции) во время первичного нуклеосинтеза в первые несколько минут после Большого Взрыва.

Тритий (от греческого tritos - третий) T, или  , радиоактивный тяжелый изотоп водорода с массовым числом 3. Ядро атома трития - тритон с массой 3,016050 состоит из одного протона и двух нейтронов, энергия связи 8,1-8,4 МэВ. При b-распаде трития образуется легкий изотоп гелия:  . Период полураспада - 12,33 года; максимальная энергия излучения - 18,61 кэВ, средняя - 5,54 кэВ. Удельная активность трития 3,59 · 105 ГБк/г. При взаимодействии b -частиц трития с веществом возникает тормозное фотонное излучение, которое используют для количественного определения трития в различных средах.

Гелий-3 — самый лёгкий из изотопов гелия, один из двух его стабильных изотопов. Ядро гелия-3 (гелион) состоит из двух протонов и одного нейтрона. Атомная масса - 3,0160293191(26); избыток массы - 14 931,2148(24) кэВ, удельная энергия связи (на нуклон) - 2 572,681(1) кэВ, изотопная распространенность - 0,000137(3)%, период полураспада – стабильный, родительские изотопы - ³H (β⁻), спин и четность ядра -1/2⁺.

Природная изотопная распространённость гелия-3 составляет 0,000137 % (в атмосфере Земли). Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается в 35 000 тонн. Гелий-3 постоянно улетучивается из атмосферы в космос, и не появляется в процессах радиоактивного распада (за исключением распада космогенного трития). Бо́льшая часть гелия-3 на Земле сохранилась со времён её образования. Он растворён в мантии и постепенно поступает в атмосферу. Некоторая часть гелия-3 возникает при распаде трития, в реакциях скалывания на литии (под действием альфа-частиц и космических лучей), а также поступает из солнечного ветра. На Солнце и в атмосферах планет-гигантов первичного гелия-3 значительно больше, чем в атмосфере Земли. В лунном реголите гелий-3 постепенно накапливался в течение миллиардов лет облучения солнечным ветром.

http://ru.wikipedia.org/wiki/Гелий-3

Галактические и метагалактические  космические лучи

Происхождение

Основным источником космических  лучей считаются взрывы сверхновых звёзд. При каждом таком взрыве происходит расширение с огромной скоростью  оболочки звезды и возникают ударные волны в плазме, приводящие к ускорению заряженных частиц до энергий 10¹⁵ эв и выше. Главным экспериментальным доводом в пользу гипотезы происхождения космических лучей от взрывов сверхновых явилось впервые прямое радиоастрономическое наблюдение частично поляризованного радиоизлучения от Крабовидной туманности (1957), возникшей в результате взрыва в 1054 сверхновой, сравнительно близкой к Солнечной системе. Это излучение является синхротронным (магнитотормозным) — то есть излучением быстрых электронов в магнитных полях, «вмороженных» в потоки звёздной плазмы, выброшенной при взрыве этой сверхновой. Позднее удалось наблюдать магнитотормозное радиоизлучение и от других, более далёких туманностей, рожденных взрывами сверхновых. Дальнейшие наблюдения показали, что спектр магнитотормозного излучения электронов простирается до оптического, рентгеновского и даже γ-диапазонов, и это связано с очень высокими энергиями электронов (до 10¹² эв). Естественно, что наряду с электронами в расширяющихся оболочках сверхновых происходит интенсивное ускорение и тяжёлых заряженных частиц — протонов и ядер (однако вследствие своей большой массы они не испытывают заметных потерь энергии на излучение в магнитных полях). При этом, чем тяжелее ядро, тем благоприятнее могут быть начальные условия ускорения (так называемая инжекция): тяжёлые ядра могут находиться в не полностью ионизованном состоянии и поэтому сравнительно слабо отклоняться в магнитных полях, что облегчает их «утечку» за пределы плотной оболочки звезды (в которой магнитное поле велико). Если учесть среднюю частоту взрывов сверхновых в Галактике вообще (1 раз в 30—50 лет) и полное энерговыделение в каждом взрыве (10⁵¹—10⁵² эрг, или 10⁶³—10⁶⁴ эв) и предположить, что 1% этой энергии тратится на ускорение заряженных частиц, то можно объяснить как среднюю плотность энергии космических лучей (1 эв/см3), так и отсутствие заметных колебаний потока космических лучей.

Методами радиоастрономии  были зарегистрированы и ещё более мощные источники космических лучей (точнее, их электронной компоненты), находящиеся далеко за пределами нашей Галактики. Такими источниками являются, в частности, квазары - небесные объекты, имеющие сходство со звёздами по оптическому виду и с газовыми туманностями по характеру спектров, обнаруживающие, кроме того, значительные красные смещения (понижение частот электромагнитного излучения), ядра некоторых галактик, испытывающие резкое расширение взрывного типа, а также радиогалактики с характерными для них мощными выбросами вещества (сопровождающимися радиоизлучением в масштабе целых галактик).

Принципиально новые возможности  экспериментального изучения источников наиболее энергичной части спектра космических лучей (вплоть до энергий 10²⁰—10²¹ эв) открылись после обнаружения уникальных астрофизических объектов — пульсаров. По современным представлениям, пульсары — это небольшие (10 км в диаметре) нейтронные звёзды, возникшие в результате быстрого гравитационного сжатия (коллапса гравитационного) неустойчивых звёзд типа сверхновых. Гравитационный коллапс приводит к колоссальному увеличению плотности вещества звезды (до ядерной плотности и выше), магнитного поля (до 10¹³ гс) и скорости вращения (до 103 оборотов в сек). Всё это создаёт благоприятные условия для ускорения тяжёлых заряженных частиц до исключительно высоких энергий 10²¹ эв и электронов до энергий 10¹² эв. И действительно, наблюдения показали, что наряду с радиоизлучением пульсары испускают (с тем же периодом) световое, рентгеновское, а иногда и γ-излучение, которые можно объяснить только процессом магнитотормозного излучения очень быстрых электронов. Таким образом, синхротронное излучение электронов космических лучей, обусловленное сильными магнитными полями, локализованными вблизи неустойчивых «горячих» объектов — источников космических лучей, позволяет решать проблему происхождения космических лучей методами наблюдательной астрономии (радиоастрономии, рентгеновской астрономии, гамма-астрономии).      

Состав и траектория

Состав галактических  космических лучей описывается  следующим образом:

Ядерная компонента - ~90% протонов, ~10% ядер гелия, ~1% более тяжелых ядер.

Электроны (~1% от числа ядер).

Позитроны (~10% от числа электронов).

Позитрон – самая лёгкая элементарная частица с положительным электрическим зарядом, являющаяся античастицей по отношению к электрону. Массы и спины позитрона и электрона равны, а их электрические заряды и магнитные моменты равны по величине и противоположны по знаку. Позитрон (как и электрон) является фермионом, относится к классу лептонов (лептоны -  фундаментальные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии) и участвует в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях. В пустоте позитрон стабилен. Однако в веществе существует короткое время (10^-8–10^-6 с), поскольку, сталкиваясь с электроном, исчезает вместе с ним, превращаясь в два гамма-кванта.

e⁺ + e^- → 2γ.

Из тщательного сравнения  доли различных атомных ядер или, как говорят, массового состава  космических лучей с распространенностью  атомных ядер во Вселенной следует, что в космических лучах содержится значительно больше ядер лития, берилия и бора и больше тяжелых ядер с атомным номером Z > 20. По современным представлениям, большая доля тяжелых ядер связана преимущественно с особенностью источников космических лучей - сверхновых звезд. Увеличение же доли легких ядер в космических лучах связано с образованием в результате расщепления более тяжелых ядер при соударениях с ядрами атомов межзвездной среды.

Расчеты показали, что до прихода на Землю от источников частицы  космических лучей встречают  на своем пути в межзвездной среде  в среднем около 5 г вещества межзвездного газа. Время же прохождения частиц космических лучей через Галактику  ученые приблизительно оценивают в 10⁷ лет. Энергия частиц первичных космических лучей на границе атмосферы Земли весьма высокая, она превышает 10¹⁰ эВ. Это означает, что, двигаясь со скоростью, близкой к скорости света, до Земли способны дойти частицы, образованные даже в самых отдаленных от нас участках нашей Галактики.

Траектории частиц космических  лучей вследствие их соударений с  межзвездным газом и отклонением  заряженных частиц магнитными полями, имеющимися в Галактике, не прямолинейные, а скорее, имеют характер хаотического или, как говорят, броуновского движения подобно тому, как атомы газа диффузно распространяются в газовой же среде. При таком движении происходит интенсивное  перемешивание частиц от различных  источников и достигается наблюдаемая  на опыте независимость потока первичных  космических лучей от угла их падения  на Землю.

Важным обстоятельством  является присутствие в первичных  космических лучах небольшого числа  электронов (их доля около 1%). Попадая  в межзвездные магнитные поля, электроны испускают так называемое синхротронное излучение в результате своего движения вокруг силовых линий  магнитного поля под действием силы Лоренца. Такое излучение регистрируется в радиодиапазоне. В итоге радиоастрономических исследований разных участков Галактики  установлено, что первичные космические  лучи практически равномерно заполняют  всю Галактику и область галактического гало, а именно сферическую область  вокруг центра Галактики с радиусом R = RГалактики.

Самое же удивительное и  важное свойство первичных космических  лучей - это энергия составляющих их атомных ядер, для наиболее быстрых  из них достигающая огромной величины в 10²⁰ эВ. Таким образом, во Вселенной существуют такие активные объекты и области, которые оказались как бы гигантским естественным ускорителем атомных ядер.

Энергетический  спектр

На рисунке показан суммарный спектр “всех частиц” космических лучей (без разделения на компоненты). В спектре присутствуют следующие особенности: “колено” при Е = 3 ПэВ и “ступня” при Е > 1 ЕэВ.  В данном представлении спектра для наглядности шкала ординат – поток, умножена на коэффициент Е^2.75.

Потоки частиц резко уменьшаются  с увеличением энергии: при Е~10¹⁹ эВ наблюдается лишь ~1 частица, падающая на площадку в один км2 в год. Приведена шкала гирорадиусов (гирорадиус, ларморовский радиус - радиус вращения заряженной частицы вокруг магнитной силовой линии под действием силы Лоренца)  протонов в магнитном поле напряжённостью в 3 мкГс. При ультра-высоких энергиях >10¹⁹ эВ радиусы траекторий протонов должны превышать размеры нашей Галактики.

При энергиях за ПэВ-ной областью спектр становится более крутым (γ = 3.2) вплоть до энергий ~1 ЕэВ. При ещё больших энергиях в области “ступни” форма спектра становится неопределённой. Есть экспериментальные данные, свидетельствующие о более пологом наклоне (чем γ = 3.2) спектра, а есть данные, свидетельствующие о противоположном – о резком укручении спектра, то есть исчезновении частиц.

На следующем рисунке  показаны энергетические спектры ряда элементов ( протонов Н, ядер гелия Не, углерода С и железа Fe) – отдельных компонент космических лучей:

На данном рисунке представление  спектра ограничено ПэВ-ной областью энергий: для более высоких энергий пока нет данных о составе космических лучей. В спектре различных ядер при энергиях в 300-500 МэВ присутствует максимум. Это – так называемый модуляционный пик.

Вторичные космические лучи

Взаимодействие  первичных космических лучей  с атмосферой

Рассмотрим теперь, что  происходит с первичными космическими лучами, достигшими атмосферы Земли. Согласно концепции, разработанной  академиком Г.Т. Зацепиным в 1949 году, в атмосфере Земли атомные ядра первичных космических лучей, сталкиваясь с ядрами атомов воздуха, порождают новые элементарные частицы. Этот процесс получил название процесса множественного рождения частиц. Число рожденных частиц при каждом соударении растет при увеличении энергии налетающего ядра по закону N ~ lg E. При высоких энергиях, например при энергии 10¹⁵ эВ, величина N достигает нескольких десятков и даже сотен. Поскольку в первом акте соударения ядра первичного космического излучения с атомным ядром воздуха рождается сразу много вторичных ядерно-активных частиц, в основном пионов, среди которых есть нейтральные  ⁰ и заряженные  , ясно, что каждый из них по мере прохождения атмосферы Земли соударяется с ядром атомов воздуха, генерирует вторичные пионы, которые, в свою очередь, рождают третье поколение пионов и т.д.