Астронет

Основные сведения

Физику космических лучей принято считать частью физики высоких энергий и физики элементарных частиц.

Физика космических лучей изучает:

  • процессы, приводящие к возникновению и ускорению космических лучей;
  • частицы космических лучей, их природу и свойства;
  • явления, вызванные частицами космических лучей в космическом пространстве, атмосфере Земли и планет.

https://www.youtube.com/watch?v=39QV8xXCj_0

Изучение потоков высокоэнергетичных заряженных и нейтральных космических частиц, попадающих на границу атмосферы Земли, является важнейшими экспериментальными задачами.

Классификация по происхождению космических лучей:

  • вне нашей Галактики;
  • в Галактике;
  • на Солнце;
  • в межпланетном пространстве.

Первичными принято называть внегалактические, галактические и солнечные космические лучи.

Вторичными космическими лучами принято называть потоки частиц, возникающих под действием первичных космических лучей в атмосфере Земли и регистрирующихся на поверхности Земли.

Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности Земли и в атмосфере.

До развития ускорительной техники космические лучи служили единственным источником элементарных частиц высокой энергии. Так, позитрон и мюон были впервые найдены в космических лучах.

Энергетический спектр космических лучей на 43 % состоит из энергии протонов, ещё на 23 % — из энергии ядер гелия (альфа-частиц) и на 34 % из энергии, переносимой остальными частицами[3][нет в источнике].

По количеству частиц космические лучи на 92 % состоят из протонов, на 6 % — из ядер гелия, около 1 % составляют более тяжелые элементы, и около 1 % приходится на электроны[3][4]. При изучении источников космических лучей вне Солнечной системы протонно-ядерная компонента в основном обнаруживается по создаваемому ею потоку гамма-лучей орбитальными гамма-телескопами, а электронная компонента — по порождаемому ею синхротронному излучению, которое приходится на радиодиапазон (в частности, на метровые волны — при излучении в магнитном поле межзвёздной среды), а при сильных магнитных полях в районе источника космических лучей — и на более высокочастотные диапазоны. Поэтому электронная компонента может обнаруживаться и наземными астрономическими инструментами[5][1].

Традиционно частицы, наблюдаемые в КЛ, делят на следующие группы: p(Z=1),{displaystyle (Z=1),}α(Z=2),{displaystyle (Z=2),} L (Z=3…5),{displaystyle (Z=3…5),} M (Z=6…9),{displaystyle (Z=6…9),} H (Z⩾10),{displaystyle (Zgeqslant 10),} VH (Z⩾20){displaystyle (Zgeqslant 20)} (соответственно, протоны, альфа-частицы, лёгкие, средние, тяжёлые и сверхтяжёлые).

Особенностью химического состава первичного космического излучения является аномально высокое (в несколько тысяч раз) содержание ядер группы L (литий, бериллий, бор) по сравнению с составом звёзд и межзвёздного газа[3]. Данное явление объясняется тем, что механизм генерации космических частиц в первую очередь ускоряет тяжёлые ядра, которые при взаимодействии с протонами межзвёздной среды распадаются на более лёгкие ядра[4]. Данное предположение подтверждается тем, что КЛ обладают очень высокой степенью изотропии.

  • процессы, приводящие к возникновению и ускорению космических лучей;
  • частицы космических лучей, их природу и свойства;
  • явления, вызванные частицами космических лучей в космическом пространстве, атмосфере Земли и планет.

Энергетический спектр космических лучей на 43 % состоит из энергии протонов, ещё на 23 % — из энергии ядер гелия (альфа-частиц) и на 34 % из энергии, переносимой остальными частицами[3][нет в источнике].

По количеству частиц космические лучи на 92 % состоят из протонов, на 6 % — из ядер гелия, около 1 % составляют более тяжелые элементы, и около 1 % приходится на электроны[3][4]. При изучении источников космических лучей вне Солнечной системы протонно-ядерная компонента в основном обнаруживается по создаваемому ею потоку гамма-лучей орбитальными гамма-телескопами, а электронная компонента — по порождаемому ею синхротронному излучению, которое приходится на радиодиапазон (в частности, на метровые волны — при излучении в магнитном поле межзвёздной среды), а при сильных магнитных полях в районе источника космических лучей — и на более высокочастотные диапазоны. Поэтому электронная компонента может обнаруживаться и наземными астрономическими инструментами[5][1].

Предлагаем ознакомиться:  Стихотворение - это Что такое стихотворение Какие виды стихотворений существуют

Традиционно частицы, наблюдаемые в КЛ, делят на следующие группы: p(Z=1),{displaystyle (Z=1),}α(Z=2),{displaystyle (Z=2),} L (Z=3…5),{displaystyle (Z=3…5),} M (Z=6…9),{displaystyle (Z=6…9),} H (Z⩾10),{displaystyle (Zgeqslant 10),} VH (Z⩾20){displaystyle (Zgeqslant 20)} (соответственно, протоны, альфа-частицы, лёгкие, средние, тяжёлые и сверхтяжёлые).

Особенностью химического состава первичного космического излучения является аномально высокое (в несколько тысяч раз) содержание ядер группы L (литий, бериллий, бор) по сравнению с составом звёзд и межзвёздного газа[3]. Данное явление объясняется тем, что механизм генерации космических частиц в первую очередь ускоряет тяжёлые ядра, которые при взаимодействии с протонами межзвёздной среды распадаются на более лёгкие ядра[4]. Данное предположение подтверждается тем, что КЛ обладают очень высокой степенью изотропии.

История исследования космических лучей

Впервые указание на возможность существования ионизирующего излучения внеземного происхождения было получено в начале XX века в опытах по изучению проводимости газов. Обнаруженный спонтанный электрический ток в газе не удавалось объяснить ионизацией, возникающей от естественной радиоактивности Земли.

Наблюдаемое излучение оказалось настолько проникающим, что в ионизационных камерах, экранированных толстыми слоями свинца, все равно наблюдался остаточный ток. В 1911—1912 годах был проведен ряд экспериментов с ионизационными камерами на воздушных шарах. Гесс обнаружил, что излучение растет с высотой, в то время как ионизация, вызванная радиоактивностью Земли, должна была бы падать с высотой. В опытах Кольхерстера было доказано, что это излучение направлено сверху вниз.

В 1921—1925 годах американский физик Милликен, изучая поглощение космического излучения в атмосфере Земли в зависимости от высоты наблюдения, обнаружил, что в свинце это излучение поглощается так же, как и гамма-излучение ядер. Милликен первым и назвал это излучение космическими лучами.

В 1925 году советские физики Л. А. Тувим и Л. В. Мысовский провели измерение поглощения космического излучения в воде: оказалось, что это излучение поглощалось в десять раз слабее, чем гамма-излучение ядер. Мысовский и Тувим обнаружили также, что интенсивность излучения зависит от барометрического давления — открыли «барометрический эффект». Опыты Д. В.

Эксперименты в космических лучах позволили сделать ряд принципиальных для физики микромира открытий.

В 1932 году Андерсон открыл в космических лучах позитрон. В 1937 году Андерсоном и Неддермейером были открыты мюоны и указан тип их распада. В 1947 году открыли π-мезоны. В 1955 году в космических лучах установили наличие К-мезонов, а также и тяжелых нейтральных частиц — гиперонов.

Квантовая характеристика «странность» появилась в опытах с космическими лучами. Эксперименты в космических лучах поставили вопрос о сохранении четности, обнаружили процессы множественной генерации частиц в нуклонных взаимодействиях, позволили определить величину эффективного сечения взаимодействия нуклонов высокой энергии.

Появление космических ракет и спутников привело к новым открытиям — обнаружению радиационных поясов Земли (февраль 1958 г., Ван Аллен и, независимо от него, июль того же года, С. Н. Вернов и А. Е. Чудаков[6]), и позволило создать новые методы исследования галактического и межгалактического пространств.

В нач. 20 в. в опытах с электроскопами и ионизационными камерами была обнаружена постоянная остаточная ионизация газов, вызываемая каким-то проникающим излучением. В отличие от излучения радиоактивных веществ окружающей среды, проникающее излучение не могли задержать даже толстые слои свинца. Внеземная природа обнаруженного проникающего излучения установлена в 1912 (В. Гесс, Нобелевская премия, 1936) в экспериментах с ионизационными камерами на воздушных шарах. Было найдено, что с увеличением расстояния от поверхности Земли ионизация, вызываемая проникающим излучением, растёт. Его внеземное происхождение окончательно доказал Р. Милликен в 1923–26 в экспериментах по поглощению излучения атмосферой (именно он ввёл термин «космические лучи»).

Предлагаем ознакомиться:  Как называются месяцы на украинском

Природа космических лучей вплоть до 1940-х гг. оставалась неясной. В течение этого времени интенсивно развивалось ядерное направление исследований космических лучей (ядерно-физический аспект) – изучение взаимодействия космических лучей с веществом, образования вторичных частиц и их поглощения в атмосфере. Эти исследования, проводимые при помощи телескопов, счётчиков, Вильсона камер и ядерных фотоэмульсий (поднимаемых на шарах-зондах в стратосферу), привели, в частности, к открытию новых элементарных частиц – позитрона (1932), мюона (1936), π-мезона (1947).

Систематические исследования влияния геомагнитного поля на интенсивность и направление прихода первичных космических лучей показали, что подавляющее большинство частиц космических лучей имеет положительный заряд. С этим связана восточно-западная асимметрия космических лучей: из-за отклонения заряженных частиц в магнитном поле Земли с запада приходит больше частиц, чем с востока. Применение фотоэмульсий позволило установить ядерный состав первичных космических лучей (1948): были обнаружены следы ядер тяжёлых химических элементов, вплоть до железа. Первичные электроны в составе космических лучей впервые были зарегистрированы лишь в 1961 в стратосферных измерениях.

С кон. 1940-х гг. на передний план выдвинулись проблемы происхождения и временны́х вариаций космических лучей (космофизический аспект).

Характеристики и классификация космических лучей

Космические лучи напоминают сильно разреженный релятивистский газ, частицы которого практически не взаимодействуют друг с другом, но испытывают редкие столкновения с веществом межзвёздной и межпланетной сред и подвергаются воздействию космических магнитных полей. Частицы космических лучей обладают огромными кинетическими энергиями (вплоть до Екин ~ 1021 эВ). Вблизи Земли подавляющую часть потока космических лучей составляют частицы с энергиями от 106 эВ до 109 эВ, далее поток космических лучей резко ослабевает. Так, при энергии ~1012 эВ на границу атмосферы падает не более 1 частицы/(м2∙с), а при Екин ~ 1015 эВ – всего 1 частица/(м2∙год). Этим обусловлены определённые трудности в изучении космических лучей высоких и сверхвысоких (экстремальных) энергий. Хотя суммарный поток космических лучей у Земли невелик (всего ок. 1 частицы/(см2∙с)), плотность их энергии (ок. 1 эВ/см3) в пределах нашей Галактики сравнима с плотностью энергии суммарного электромагнитного излучения звёзд, энергии теплового движения межзвёздного газа и кинетической энергии его турбулентных движений, а также с плотностью энергии магнитного поля Галактики. Отсюда следует, что космические лучи должны играть важную роль во многих астрофизических процессах.

Другая важная особенность космических лучей – нетепловое происхождение их энергии. Действительно, даже при температуре ~109К, по-видимому, близкой к максимальной для звёздных недр, средняя энергия теплового движения частиц ≈3∙105 эВ. Основное количество частиц космических лучей, наблюдаемых у Земли, имеет энергию св. 108 эВ. Это означает, что космические лучи приобретают энергию путём ускорения в специфических астрофизических процессах плазменной и электромагнитной природы.

По своему происхождению космические лучи можно разделить на несколько групп: 1) космические лучи галактического происхождения (галактические космические лучи); их источником является наша Галактика, в которой происходит ускорение частиц до энергий порядка 1018 эВ; 2) космические лучи метагалактического происхождения (метагалактические космические лучи); они образуются в других галактиках и имеют самые большие, ультрарелятивистские энергии (св. 1018 эВ); 3) солнечные космические лучи; генерируются на Солнце или вблизи него во время солнечных вспышек и корональных выбросов масс; их энергия составляет от 106 эВ до св. 1010 эВ; 4) аномальные космические лучи; образуются в Солнечной системе на периферии гелиосферы; энергии частиц составляют 1–100 МэВ/нуклон.

Предлагаем ознакомиться:  Что такое миопатия Дюшена

По содержанию ядер лития, бериллия и бора, которые образуются в результате взаимодействий космических лучей с атомами межзвёздной среды, можно определить количество вещества Х, через которое прошли космические лучи, блуждая в межзвёздной среде. Величина X примерно равна 5–10 г/см2. Время блуждания космических лучей в межзвёздной среде (или время их жизни) и величина X связаны соотношением X≈ρvt, где ρ – средняя плотность межзвёздной среды, составляющая ~1024 г/см3, t – время блуждания космических лучей в этой среде, v – скорость частиц. Обычно полагают, что величина v для ультрарелятивистских космических лучей практически равна скорости света c, так что время их жизни составляет ок. 3·108 лет. Оно определяется либо выходом космических лучей из Галактики и её гало, либо их поглощением за счёт неупругих взаимодействий с веществом межзвёздной среды.

Вторгаясь в атмосферу Земли, первичные космические лучи разрушают ядра наиболее распространённых в атмосфере химических элементов – азота и кислорода – и порождают каскадный процесс, в котором участвуют все известные ныне элементарные частицы, в частности такие вторичные частицы, как протоны, нейтроны, мезоны, электроны, а также γ-кванты и нейтрино. Принято характеризовать путь, пройденный частицей космических лучей в атмосфере до столкновения, количеством вещества в граммах, заключённого в столбе сечением 1 см2, т. е. выражать пробег частиц в г/см2 вещества атмосферы. Это означает, что после прохождения толщи атмосферы х (г/см2) пучком протонов с первоначальной интенсивностью I количество протонов, не испытавших столкновения, будет равно I = Iexp(–x/λ), где λ – средний пробег частицы. Для протонов, составляющих основную часть первичных космических лучей, пробег λ в воздухе равен ≈70 г/см2, для ядер гелия λ≈25 г/см2, для более тяжёлых ядер – ещё меньше. Первое столкновение с атмосферой протоны испытывают в среднем на высоте 20 км (х≈70 г/см2). Толщина атмосферы на уровне моря эквивалентна 1030 г/см2, т. е. соответствует примерно 15 ядерным пробегам для протонов. Отсюда следует, что вероятность достичь поверхности Земли, не испытав столкновений, для первичной частицы ничтожно мала. Поэтому на поверхности Земли космические лучи обнаруживаются лишь по слабым эффектам ионизации, создаваемой вторичными частицами.

Появление космических ракет и спутников привело к новым открытиям — обнаружению радиационных поясов Земли (февраль 1958 г., Ван Аллен и, независимо от него, июль того же года, С. Н. Вернов и А. Е. Чудаков[6]), и позволило создать новые методы исследования галактического и межгалактического пространств.

Потоки высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве

В околоземном космическом пространстве (ОКП) различают несколько типов космических лучей. К стационарным принято относить галактические космические лучи (ГКЛ), частицы альбедо и радиационный пояс. К нестационарным — солнечные космические лучи (СКЛ).

Галактические космические лучи (ГКЛ) состоят из ядер различных химических элементов с кинетической энергией Е более нескольких десятков МэВ/нуклон, а также электронов и позитронов с Е

Загрузка ...
Adblock detector