Kozmični žarki

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje
Diferencialni energijski spekter kozmičnih žarkov ima močni značaj (na dvojno logaritemski lestvici - poševna črta) (minimalne energije - rumena cona, sončna modulacija; povprečne energije - modra cona, GCR; maksimalne energije - vijolična cona, zunajgalaktični CR )

Kozmični žarki so elementarni delci in jedra atomov, ki se gibljejo z visokimi energijami v vesolju [1] [2] .

Osnovni podatki

Fizika kozmičnih žarkov velja za del fizike visokih energij in fizike osnovnih delcev .

Študije fizike kozmičnih žarkov :

  • procesi, ki vodijo do nastanka in pospeševanja kozmičnih žarkov;
  • delci kozmičnih žarkov, njihova narava in lastnosti;
  • pojavi, ki jih povzročajo delci kozmičnih žarkov v vesolju, ozračju Zemlje in planetov.

Preučevanje tokov visokoenergijskih nabitih in nevtralnih kozmičnih delcev, ki padajo na mejo Zemljine atmosfere, je najpomembnejši eksperimentalni problem.

Kozmični žarki se lahko pojavijo:

Ekstragalaktični, galaktični in sončni kozmični žarki se običajno imenujejo primarni .

Sekundarni kozmični žarki se običajno imenujejo tokovi delcev, ki nastanejo pod delovanjem primarnih kozmičnih žarkov v zemeljski atmosferi in so zabeleženi na zemeljskem površju.

Kozmični žarki so sestavni del naravnega sevanja ( sevanja ozadja) na površini Zemlje in v ozračju.

Pred razvojem tehnologije pospeševalnikov so kozmični žarki služili kot edini vir elementarnih visokoenergetskih delcev. Tako sta bila v kozmičnih žarkih prvič najdena pozitron in mion .

Energetski razpon delcev v kozmičnih žarkih je velik - od 10 6 eV do 5⋅10 21 eV [3] .

Po številu delcev so kozmični žarki sestavljeni iz 92 % protonov, 6 % helijevih jeder, približno 1 % težjih elementov in približno 1 % elektronov [4][5] . Pri preučevanju virov kozmičnih žarkov zunaj sončnega sistema se protonsko-jedrska komponenta zazna predvsem s pretokom gama žarkov, ki jih ustvarja orbitalni gama teleskopi, elektronsko komponento pa s sinhrotronskim sevanjem, ki ga ustvarja, ki pade na radio. razponu (zlasti metrski valovi - pri sevanju v magnetnem polju medzvezdnega medija ), in v primeru močnih magnetnih polj v območju vira kozmičnih žarkov - in do višjih frekvenčnih območij. Zato lahko elektronsko komponento zaznajo tudi zemeljski astronomski instrumenti [6] [1] .

Tradicionalno so delci kozmičnih žarkov razdeljeni v naslednje skupine: str α L M H VH (protoni, alfa delci, lahki, srednji, težki in supertežki). Značilnost kemične sestave primarnega kozmičnega sevanja je anomalno visoka vsebnost jeder skupine L ( litij , berilij , bor ) v primerjavi s sestavo zvezd in medzvezdnega plina [4] [3] . Ta pojav je razložen z dejstvom, da mehanizem nastajanja kozmičnih delcev predvsem pospešuje težka jedra, ki ob interakciji s protoni medzvezdnega medija razpadejo v lažja jedra[5] . To domnevo potrjuje dejstvo, da imajo kozmični žarki zelo visoko stopnjo izotropije .

Zgodovina fizike kozmičnih žarkov

Prvič je bila navedba možnosti obstoja ionizirajočega sevanja nezemeljskega izvora pridobljena v začetku 20. stoletja v poskusih preučevanja prevodnosti plinov. Odkritega spontanega električnega toka v plinu ni bilo mogoče razložiti z ionizacijo, ki izhaja iz naravne radioaktivnosti Zemlje. Opaženo sevanje se je izkazalo za tako prodorno, da je bil v ionizacijskih komorah še vedno opažen preostali tok, zaščiten z debelimi plastmi svinca. V letih 1911-1912 so bili izvedeni številni poskusi z ionizacijskimi komorami v balonih. Hess je odkril, da se sevanje povečuje z višino, medtem ko bi se ionizacija, ki jo povzroča zemeljska radioaktivnost, morala zmanjšati z višino. V Kolhursterjevih poskusih je bilo dokazano, da je to sevanje usmerjeno od zgoraj navzdol.

V letih 1921-1925 je ameriški fizik Milliken , ki je preučeval absorpcijo kozmičnega sevanja v zemeljski atmosferi, odvisno od višine opazovanja, ugotovil, da se to sevanje v svincu absorbira na enak način kot gama sevanje iz jeder. Millikan je bil prvi, ki je to sevanje imenoval kozmični žarki.

Leta 1925 sta sovjetska fizika L. A. Tuvim in L. V. Mysovsky izmerila absorpcijo kozmičnega sevanja v vodi: izkazalo se je, da se to sevanje absorbira desetkrat šibkeje kot gama sevanje jeder. Mysovsky in Tuvim sta tudi ugotovila, da je intenzivnost sevanja odvisna od zračnega tlaka – odkrila sta "barometrični učinek". Poskusi DV Skobeltsyna z Wilsonovo komoro, nameščeno v stalno magnetno polje, so omogočili "videti", zaradi ionizacije, sledi (sled) kozmičnih delcev. DV Skobeltsyn je odkril prhe kozmičnih delcev .

Eksperimenti v kozmičnih žarkih so omogočili številna temeljna odkritja za fiziko mikrosveta.

Leta 1932 je Anderson odkril pozitron v kozmičnih žarkih. Leta 1937 sta Anderson in Neddermeier odkrila mione in nakazala vrsto njihovega razpada. Leta 1947 so odkrili π- mezone . Leta 1955 je bila ugotovljena prisotnost K-mezonov v kozmičnih žarkih, pa tudi težkih nevtralnih delcev - hiperonov .

Kvantna značilnost " nenavadnosti " se je pojavila v poskusih s kozmičnimi žarki. Eksperimenti v kozmičnih žarkih so sprožili vprašanje ohranjanja parnosti, odkrili procese večkratnega generiranja delcev v nukleonskih interakcijah in omogočili določitev vrednosti efektivnega preseka za interakcijo visokoenergetskih nukleonov.

Pojav vesoljskih raket in satelitov je privedel do novih odkritij - odkritja zemeljskih sevalnih pasov (februar 1958, Van Allen in neodvisno od njega julij istega leta SN Vernov in AE Chudakov [7] ) in je uspelo mogoče ustvariti nove metode za preučevanje galaktičnih in medgalaktičnih prostorov.

Tokovi visokoenergijskih nabitih delcev v vesolju blizu Zemlje

V prostoru blizu Zemlje (OKP) ločimo več vrst kozmičnih žarkov. Običajno je vključiti galaktične kozmične žarke (GCR), albedo delce in sevalni pas kot stacionarne. Nestacionarni - sončni kozmični žarki (SCR).

Galaktični kozmični žarki (GCR)

Galaktični kozmični žarki (GCR) so sestavljeni iz jeder različnih kemičnih elementov s kinetično energijo E več kot nekaj deset MeV/ nukleon , pa tudi elektronov in pozitronov z E > 10 MeV . Ti delci prihajajo v medplanetarni prostor iz medzvezdnega medija. Eksplozije supernove in nastali pulsarji veljajo za najverjetnejše vire kozmičnih žarkov. Elektromagnetna polja pulzarjev pospešujejo nabite delce, ki jih nato razpršijo medzvezdna magnetna polja[8] . Možno pa je, da v območju E <100 MeV/nukleon nastanejo delci zaradi pospeševanja delcev sončnega vetra in medzvezdnega plina v medplanetarnem mediju. Diferencialni energijski spekter GCR ima potencijski značaj.

Sekundarni delci v zemeljski magnetosferi: sevalni pas , albedo delci

Znotraj magnetosfere , kot v katerem koli dipolnem magnetnem polju , obstajajo področja , ki so nedostopna za delce s kinetično energijo E, manjšo od kritične. Isti delci z energijo E < E cr , ki so še tam, ne morejo zapustiti teh območij. Ta prepovedana območja magnetosfere se imenujejo zajemna območja. V območjih ujetja zemeljskega dipolnega (kvazidipolnega) polja se dejansko zadržijo pomembni tokovi ujetih delcev (predvsem protonov in elektronov).

V prostoru blizu Zemlje je mogoče razlikovati dve toroidni regiji, ki se nahajata v ekvatorialni ravnini na razdalji od 300 km (v coni BMA ) do 6.000 km (notranji EPZ) in od 12.000 km do 40.000 km (zunanji EPZ). Glavno polnjenje notranjega pasu so protoni z visokimi energijami od 1 do 1000 MeV, zunanje pa elektroni.

Največja intenzivnost nizkoenergijskih protonov se nahaja na razdaljah L ~ 3 polmera Zemlje od njenega središča. Nizkoenergijski elektroni zapolnijo celotno območje zajema. Zanje ni delitve na notranje in zunanje pasove. Protonski tok v notranjem pasu je sčasoma dokaj stabilen.

Proces interakcije jeder primarnega kozmičnega sevanja z atmosfero spremlja pojav nevtronov . Tok nevtronov, ki prihajajo iz Zemlje ( albedo nevtroni), neovirano prehaja skozi zemeljsko magnetno polje . Ker so nevtroni nestabilni (povprečni čas razpada je ~ 900 s ), nekateri od njih razpadejo v območjih, ki so nedostopna za nizkoenergijske nabite delce . Tako se produkti razpada nevtronov (protoni in elektroni) rodijo neposredno v območjih ujetja. Odvisno od energije in kota naklona se lahko ti protoni in elektroni bodisi ujamejo ali zapustijo to območje.

Albedo delci so sekundarni delci, ki se odbijajo od Zemljine atmosfere . Albedo nevtroni zagotavljajo sevalni pas protoni z energijami do 10 M eV in elektroni z energijami do nekaj MeV.

Sončni kozmični žarki

Sončni kozmični žarki (SCR) so energijsko nabiti delci - elektroni, protoni in jedra -, ki jih Sonce vbrizga v medplanetarni prostor. Energija SCR se giblje od nekaj keV do nekaj GeV. V spodnjem delu tega območja SCR mejijo na protone hitrih tokov sončnega vetra . Delci SCR se pojavijo zaradi sončnih izbruhov .

Kozmični žarki ultra visoke energije

Energija nekaterih delcev (na primer delcev "Oh-My-Bog" ) presega mejo GZK (Greisen - Zatsepin - Kuzmin) - teoretična energijska meja za kozmične žarke je 5⋅10 19 eV , ki jo povzroča njihova interakcija z fotoni reliktnega sevanja . Več deset takih delcev je za leto zabeležil Observatorij AGASA (Eng.) ... Ta opažanja še nimajo dovolj utemeljene znanstvene razlage.

Registracija kozmičnih žarkov

Dolgo časa po odkritju kozmičnih žarkov se metode za njihovo registracijo niso razlikovale od metod za registracijo delcev v pospeševalnikih, najpogosteje - števcih plinskih razelektritev ali jedrskih fotografskih emulzijah, dvignjenih v stratosfero ali v vesolje. Toda ta metoda ne omogoča sistematičnega opazovanja visokoenergetskih delcev, saj se pojavljajo precej redko, prostor, v katerem lahko tak števec izvaja opazovanja, pa je omejen s svojo velikostjo.

Sodobni observatoriji delujejo na različnih principih. Ko visokoenergetski delec vstopi v atmosfero, v interakciji z atomi zraka prvih 100 g / cm² povzroči celo vrsto delcev, predvsem pionov in mionov , ki posledično povzročijo druge delce in tako naprej. Nastane stožec iz delcev, ki se imenuje tuš. Takšni delci se gibljejo s hitrostjo, ki presega hitrost svetlobe v zraku, zaradi česar nastane čerenkovski sijaj , posnet s teleskopi. Ta tehnika vam omogoča sledenje območij neba na območju sto kvadratnih kilometrov.

Pomen za vesoljska potovanja

Vizualni fenomen kozmičnih žarkov ( ang. )

Ko astronavti ISS zaprejo oči, ne več kot enkrat na 3 minute, vidijo bliske svetlobe [9] , morda je ta pojav povezan z udarcem visokoenergetskih delcev, ki vstopajo v mrežnico. Vendar to ni bilo eksperimentalno potrjeno, možno je, da ima ta učinek izključno psihološke temelje.

Sevanje

Dolgotrajna izpostavljenost vesoljskemu sevanju lahko zelo negativno vpliva na zdravje ljudi. Za nadaljnjo širitev človeštva na druge planete sončnega sistema je treba razviti zanesljivo zaščito pred takšnimi nevarnostmi - znanstveniki iz Rusije in ZDA že iščejo načine za rešitev tega problema.

Poglej tudi

Opombe (uredi)

  1. 1 2 Mirošničenko L. I. Kozmični žarki // Fizična enciklopedija : [v 5 zvezkih] / Ch. ur. A.M. Prokhorov . - M .: Sovjetska enciklopedija, 1990. - T. 2: Faktor kakovosti - Magneto-optika. - S. 471-474. - 704 str. - 100.000 izvodov - ISBN 5-85270-061-4 .
  2. Sokurov V.F. Fizika kozmičnih žarkov: kozmično sevanje . - Rostov na Donu: Phoenix, 2005 .-- 188 str. - (Višja izobrazba). - ISBN 978-5-222-07838-9 .
  3. 1 2 Kozmično sevanje na morski gladini / Laboratorijsko delo jedrske delavnice na Fakulteti za fiziko Moskovske državne univerze .
  4. 1 2 VL Ginzburg , Syrovatsky SI Trenutno stanje izvora kozmičnih žarkov // Uspehi fizikalnih znanosti . - Ruska akademija znanosti , 1960. - T. 71 , št. 7 . - S. 411-469 .
  5. 1 2 Dorman, 1975 , str. osemnajst.
  6. V. L. Ginzburg . Kozmični žarki: 75 let raziskovanja in obeti za prihodnost // Zemlja in vesolje . - M .: Nauka , 1988. - Št . - S. 3-9 .
  7. Register znanstvenih odkritij . Znanstvena odkritja Rusije . Državni register znanstvenih odkritij ZSSR. Neuradno spletno mesto . ross-nauka.narod.ru . Datum zdravljenja: 2. december 2019.
  8. Širkov, 1980 , str. 236.
  9. Roskosmos. Blog Maxima Suraeva.

Literatura

Povezave