Kosmičke zrake

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Diferencijalni energetski spektar kosmičkih zraka ima karakter potencijskog zakona (na dvostruko logaritamskoj skali - kosa linija) (minimalne energije - žuta zona, solarna modulacija; prosječne energije - plava zona, GCR; maksimalne energije - ljubičasta zona, ekstragalaktički CR )

Kosmičke zrake su elementarne čestice i jezgra atoma koji se kreću sa visokim energijama u svemiru [1] [2] .

Osnovne informacije

Fizika kosmičkih zraka se smatra dijelom fizike visokih energija i fizike elementarnih čestica .

Studije fizike kosmičkih zraka :

  • procesi koji dovode do pojave i ubrzanja kosmičkih zraka;
  • čestice kosmičkih zraka, njihova priroda i svojstva;
  • pojave uzrokovane česticama kosmičkih zraka u svemiru, atmosferi Zemlje i planeta.

Proučavanje tokova visokoenergetskih nabijenih i neutralnih kosmičkih čestica koje padaju na granicu Zemljine atmosfere najvažniji je eksperimentalni problem.

Kosmičke zrake se mogu pojaviti:

Ekstragalaktičke, galaktičke i solarne kosmičke zrake obično se nazivaju primarnim .

Sekundarne kosmičke zrake obično se nazivaju tokovi čestica koji nastaju pod dejstvom primarnih kosmičkih zraka u Zemljinoj atmosferi i zabeleženi su na površini Zemlje.

Kosmičke zrake su sastavni dio prirodnog zračenja (pozadinskog zračenja) na površini Zemlje iu atmosferi.

Prije razvoja tehnologije akceleratora, kosmičke zrake su služile kao jedini izvor elementarnih čestica visoke energije. Tako su pozitron i mion prvi put pronađeni u kosmičkim zracima.

Opseg energije čestica u kosmičkim zracima je velik - od 10 6 eV do 5⋅10 21 eV [3] .

Po broju čestica kosmičke zrake sastoje se od 92% protona, 6% jezgara helijuma, oko 1% težih elemenata i oko 1% elektrona [4][5] . Prilikom proučavanja izvora kosmičkih zraka izvan Sunčevog sistema, protonsko-nuklearna komponenta se uglavnom detektuje fluksom gama zraka koje stvara orbitalni gama teleskopi, a elektronska komponenta se detektuje sinhrotronskim zračenjem koje generiše, a pada na radio. raspona (posebno metarskih talasa - pri zračenju u magnetnom polju međuzvjezdanog medija ), au slučaju jakih magnetnih polja u području izvora kosmičkih zraka - i do viših frekvencijskih opsega. Stoga se elektronska komponenta može detektirati i zemaljskim astronomskim instrumentima [6] [1] .

Tradicionalno, čestice kosmičkih zraka se dijele u sljedeće grupe: str α L M H VH (odnosno, protoni, alfa čestice, lake, srednje, teške i superteške). Karakteristika hemijskog sastava primarnog kosmičkog zračenja je anomalno visok sadržaj jezgara L grupe ( litijum , berilijum , bor ) u poređenju sa sastavom zvezda i međuzvjezdanog gasa [4] [3] . Ovaj fenomen se objašnjava činjenicom da mehanizam generisanja kosmičkih čestica prvenstveno ubrzava teška jezgra, koja se u interakciji sa protonima međuzvjezdanog medija raspadaju na lakša jezgra[5] . Ovu pretpostavku potvrđuje činjenica da kosmičke zrake imaju veoma visok stepen izotropije .

Istorija fizike kosmičkih zraka

Prvi put je naznaka o mogućnosti postojanja jonizujućeg zračenja vanzemaljskog porekla dobijena početkom 20. veka u eksperimentima proučavanja provodljivosti gasova. Otkrivena spontana električna struja u gasu ne može se objasniti jonizacijom koja proizilazi iz prirodne radioaktivnosti Zemlje. Uočeno zračenje se pokazalo toliko prodornim da je još uvijek uočena zaostala struja u jonizacijskim komorama, zaštićena debelim slojevima olova. U periodu 1911-1912. izveden je niz eksperimenata sa jonizacionim komorama u balonima. Hess je otkrio da radijacija raste s visinom, dok je jonizacija uzrokovana radioaktivnošću Zemlje trebala opadati s visinom. U Kolhursterovim eksperimentima je dokazano da je ovo zračenje usmjereno odozgo prema dolje.

Godine 1921-1925, američki fizičar Milliken , proučavajući apsorpciju kosmičkog zračenja u Zemljinoj atmosferi, u zavisnosti od visine posmatranja, otkrio je da se ovo zračenje u olovu apsorbuje na isti način kao gama zračenje iz jezgara. Millikan je prvi ovo zračenje nazvao kosmičkim zracima.

Godine 1925. sovjetski fizičari L.A. Tuvim i L.V. Mysovsky izmjerili su apsorpciju kosmičkog zračenja u vodi: pokazalo se da je to zračenje apsorbirano deset puta slabije od gama zračenja jezgara. Mysovski i Tuvim su takođe otkrili da intenzitet zračenja zavisi od barometarskog pritiska – otkrili su „barometrijski efekat“. Eksperimenti DV Skobeltsyna sa Wilsonovom komorom postavljenom u konstantno magnetno polje omogućili su da se zbog jonizacije "vide" tragovi (tragovi) kosmičkih čestica. DV Skobeltsyn je otkrio pljuskove kosmičkih čestica .

Eksperimenti na kosmičkim zracima omogućili su niz fundamentalnih otkrića za fiziku mikrosvijeta.

Godine 1932. Anderson je otkrio pozitron u kosmičkim zracima. Godine 1937. Anderson i Neddermeier su otkrili mione i naznačili vrstu njihovog raspada. 1947. godine otkriveni su π -mezoni . Godine 1955. ustanovljeno je prisustvo K-mezona u kosmičkim zracima, kao i teških neutralnih čestica - hiperona .

Kvantna karakteristika " čudnosti " pojavila se u eksperimentima sa kosmičkim zracima. Eksperimenti na kosmičkim zracima pokrenuli su pitanje očuvanja pariteta, otkrili procese višestrukog generisanja čestica u nukleonskim interakcijama i omogućili određivanje vrijednosti efektivnog poprečnog presjeka za interakciju nukleona visoke energije.

Pojava svemirskih raketa i satelita dovela je do novih otkrića - otkrića Zemljinog radijacionog pojasa (februar 1958. Van Allen i, nezavisno od njega, jul iste godine, SN Vernov i AE Chudakov [7] ), i učinio ga moguće stvoriti nove metode za proučavanje galaktičkih i međugalaktičkih prostora.

Tokovi visokoenergetskih nabijenih čestica u svemiru blizu Zemlje

U prostoru blizu Zemlje (OKP) razlikuje se nekoliko vrsta kosmičkih zraka. Uobičajeno je uključiti galaktičke kosmičke zrake (GCR), albedo čestice i radijacijski pojas kao stacionarne. Nestacionarni - solarni kosmički zraci (SCR).

Galaktičke kosmičke zrake (GCR)

Galaktičke kosmičke zrake (GCR) sastoje se od jezgara različitih hemijskih elemenata sa kinetičkom energijom E većom od nekoliko desetina MeV/ nukleon , kao i od elektrona i pozitrona sa E > 10 MeV . Ove čestice dolaze u međuplanetarni prostor iz međuzvjezdanog medija. Eksplozije supernove i nastali pulsari smatraju se najvjerovatnijim izvorima kosmičkih zraka. Elektromagnetna polja pulsara ubrzavaju nabijene čestice, koje se zatim raspršuju međuzvjezdanim magnetskim poljima[8] . Moguće je, međutim, da u području E <100 MeV/nukleon, čestice nastaju zbog ubrzanja čestica sunčevog vjetra i međuzvjezdanog plina u međuplanetarnom mediju. Diferencijalni energetski spektar GCR-a ima karakter potencijskog zakona.

Sekundarne čestice u Zemljinoj magnetosferi: radijacijski pojas , albedo čestice

Unutar magnetosfere , kao iu svakom dipolnom magnetnom polju , postoje područja nedostupna česticama s kinetičkom energijom E manjom od kritične. Iste čestice sa energijom E < E cr , koje su još uvijek tamo, ne mogu napustiti ova područja. Ova zabranjena područja magnetosfere nazivaju se zonama hvatanja. U zonama hvatanja Zemljinog dipolnog (kvazidipolnog) polja zapravo se zadržavaju značajni tokovi zarobljenih čestica (prije svega protona i elektrona).

U svemiru blizu Zemlje mogu se razlikovati dvije toroidalne regije koje se nalaze u ekvatorijalnoj ravni na udaljenosti od 300 km (u BMA zoni) do 6.000 km (unutrašnji EPZ) i od 12.000 km do 40.000 km (vanjska EPZ). Glavno punjenje unutrašnjeg pojasa su protoni sa visokim energijama od 1 do 1000 MeV, a spoljašnje su elektroni.

Maksimalni intenzitet niskoenergetskih protona nalazi se na udaljenosti od L ~ 3 radijusa Zemlje od njenog centra. Niskoenergetski elektroni ispunjavaju čitavu oblast hvatanja. Za njih ne postoji podjela na unutrašnje i vanjske pojaseve. Protonski tok u unutrašnjem pojasu je prilično stabilan tokom vremena.

Proces interakcije jezgara primarnog kosmičkog zračenja sa atmosferom praćen je pojavom neutrona . Tok neutrona koji dolaze sa Zemlje ( albedo neutroni) nesmetano prolazi kroz Zemljino magnetsko polje . Budući da su neutroni nestabilni (prosječno vrijeme raspada je ~ 900 s ), neki od njih se raspadaju u zonama nedostupnim niskoenergetskim nabijenim česticama . Tako se proizvodi raspada neutrona (protoni i elektroni) rađaju direktno u zonama hvatanja. Ovisno o energiji i kutovima nagiba, ovi protoni i elektroni mogu biti zarobljeni ili napustiti ovu regiju.

Albedo čestice su sekundarne čestice koje se odbijaju od Zemljine atmosfere . Albedo neutroni daju pojas zračenja protonima sa energijama do 10 M eV i elektronima sa energijama do nekoliko MeV.

Solarne kosmičke zrake

Sunčeve kosmičke zrake (SCR) su energetski nabijene čestice - elektroni, protoni i jezgra - koje Sunce ubrizgava u međuplanetarni prostor. SCR energija se kreće od nekoliko keV do nekoliko GeV. U donjem dijelu ovog raspona, SCR se graniče s protonima brzih tokova solarnog vjetra . SCR čestice se pojavljuju zbog sunčevih baklji .

Kozmički zraci ultra visoke energije

Energija nekih čestica (na primjer, "Oh-My-Boga" čestice ) prelazi u GZK (Greisen - Zatsepin - Kuzmin) limit - teorijske energije granica za kosmičkih zraka je 5⋅10 19 eV , uzrokovane njihove interakcije sa fotoni reliktnog zračenja . Nekoliko desetina takvih čestica za godinu je zabilježeno opservatorijom AGASA (eng.) ... Ova zapažanja još nemaju dovoljno potkrijepljeno naučno objašnjenje.

Registracija kosmičkih zraka

Dugo vremena nakon otkrića kosmičkih zraka, metode za njihovo registriranje nisu se razlikovale od metoda registracije čestica u akceleratorima, najčešće - brojačima plinskih pražnjenja ili nuklearnim fotografskim emulzijama dignutim u stratosferu ili u svemir. Ali ova metoda ne dozvoljava sistematsko posmatranje čestica visoke energije, jer se one pojavljuju prilično retko, a prostor u kojem takav brojač može da sprovodi posmatranja je ograničen njegovom veličinom.

Moderne opservatorije rade na različitim principima. Kada visokoenergetska čestica uđe u atmosferu, ona, u interakciji s atomima zraka prvih 100 g/cm² , stvara čitav niz čestica, uglavnom piona i miona , koji zauzvrat stvaraju druge čestice i tako dalje. Formira se konus čestica, koji se naziva pljusak. Takve čestice se kreću brzinom većom od brzine svjetlosti u zraku, zbog čega nastaje Čerenkovski sjaj , zabilježen teleskopima. Ova tehnika vam omogućava da pratite područja neba na površini od stotina kvadratnih kilometara.

Značaj za svemirska putovanja

Vizuelni fenomen kosmičkih zraka ( eng. )

Kada astronauti ISS- a zatvore oči, ne češće od jednom u 3 minute, vide bljeskove svjetlosti [9] , možda je ovaj fenomen povezan s udarom visokoenergetskih čestica koje ulaze u retinu. Međutim, to nije eksperimentalno potvrđeno, moguće je da ovaj učinak ima isključivo psihološke temelje.

Radijacija

Dugotrajno izlaganje svemirskom zračenju može imati vrlo negativan učinak na zdravlje ljudi. Za dalje širenje čovječanstva na druge planete Sunčevog sistema potrebno je razviti pouzdanu zaštitu od takvih opasnosti - naučnici iz Rusije i Sjedinjenih Država već traže načine za rješavanje ovog problema.

vidi takođe

Bilješke (uredi)

  1. 1 2 Miroshnichenko L. I. Kosmičke zrake // Fizička enciklopedija : [u 5 tomova] / Ch. ed. A.M. Prokhorov . - M .: Sovjetska enciklopedija, 1990. - T. 2: Faktor kvaliteta - Magneto-optika. - S. 471-474. - 704 str. - 100.000 primeraka - ISBN 5-85270-061-4 .
  2. Sokurov V.F. Fizika kosmičkih zraka: kosmičko zračenje . - Rostov na Donu: Phoenix, 2005.-- 188 str. - (Više obrazovanje). - ISBN 978-5-222-07838-9 .
  3. 1 2 Kosmičko zračenje na nivou mora / Laboratorijski rad nuklearne radionice na Fakultetu fizike Moskovskog državnog univerziteta .
  4. 1 2 VL Ginzburg , Syrovatsky SI Trenutno stanje porijekla kosmičkih zraka // Uspjesi fizičkih znanosti . - Ruska akademija nauka , 1960. - T. 71 , br. 7 . - S. 411-469 .
  5. 1 2 Dorman, 1975 , str. osamnaest.
  6. V. L. Ginzburg . Kosmički zraci: 75 godina istraživanja i izgledi za budućnost // Zemlja i svemir . - M .: Nauka , 1988. - Br. 3 . - S. 3-9 .
  7. Registar naučnih otkrića . Naučna otkrića Rusije . Državni registar naučnih otkrića SSSR-a. Nezvanična stranica . ross-nauka.narod.ru . Datum tretmana: 02.12.2019.
  8. Shirkov, 1980 , str. 236.
  9. Roskosmos. Blog Maksima Suraeva.

Književnost

Linkovi