Космические лучи — физика и их состав

Космические лучи

Что такое космические лучи?

Путешествуя по нескончаемым просторам вселенной, встречая на своём пути много неожиданностей и всяческих внешних влияний. И одним из этих влияний оказываются лучи из космоса.

Космические лучи — это имеющие и не имеющие заряда частички, прилетающие из вселенских просторов к поверхности Земли, задерживаясь в воздушной оболочке нашей планеты. Физика космических лучей стала областью, имеющей очень перспективное будущее. Потому что исследуя космолучи, учёные могут лучше разобраться в процессах, происходящих в Звёздах, в нашей и не только Галактиках. Такие огромные возможности смогут предоставить нам космические лучи.

Физика космических лучей и история открытия

Космические лучи стали известны случайно в 1900 г. при замерах количества ионизации и электропроводимости газа, посредством электроскопов. Немецкие физики Юлиус Эльстер и Ганс Гейтель автономно друг от друга сделали открытие неизвестного природного происхождения ионизации воздуха.

Ионизационная камера

Шотландский физик Чарльз Вильсон, находясь в Британии и работая с ионизационной камерой, сделал вывод, что приходящее излучение имеет внеземную причину. С помощью экранированной камеры, Вильсон выяснил, что проникающее свойство незнакомого излучения сильнее, чем у лучей рентгеновского и гамма-диапозона, и дал название ему ультра-гамма ионизация.

Эрнест Резерфорд

К сожалению, последующее изучение космических лучей немного затормозило процесс изучения физики в этой области. Эрнест Резерфорд, в то же время, произвёл много экспериментов по защите детектора свинцом и дал объяснение этому, как гамма-активностью материала конструкции. Позже, наичувствительнейший электрометр дал результаты, которые показывали, что над водоёмами ионизация делалась меньше и предположили, что эта ионизация, есть следствие радиоактивности литосферы в гамма-спектре. Как мне кажется, это очень смешно — то, что пришло из космоса интерпретировали, будто источник в земле.

Очень долго учёные собирали экспериментальные данные. Экспериментировали, как непосредственно на земле, так и на высоте, например, на Эйфелевой башне и на аэростате. И по прошествию 25 лет, в 25-ом году прошлого столетия учёный физик Роберт Милликен из Америки провёл ряд замеров водопоглощения высотного излучения в водоёмах, расположенных на высоте 3.6 и около 2-х км. В результате замеров, выяснилось, что излучение направлено вниз, через воздух.

Роберт Милликен

Милликен первый раз называет это явление космическими лучами. Это будем рассматривать как настоящий прорыв в изучении этого явления. Но всё же, происхождение космолучей учёным было не понятно. Огромную лепту в понимание лучей внес советский физик Дмитрий Скобельцин. Он посредством опытов он установил, что космические лучи это частицы, имеющие электрический заряд и вызывают в воздухе ливни частиц. В последствии теорию ливней этих частиц прорабатывает физик Лев Ландау.

В 36 году прошлого столетия Виктору Гессу присудили Нобелевскую награду за выявление космических лучей. 24 года прошло прежде, чем осознали фундаментальную ценность этого явления. К тому моменту уже было понятно, что космические лучи это, в большинстве случаев, частицы с плюсовым зарядом и с очень высокой энергией.

Фундаментальные частицы

Период изучения с 30-х до 55-х годов, стал эпохой фундаментальных частиц в космических лучах. В то время обнаружили шаг за шагом: позитроны, мюоны, би-мезоны и т.д. Чем мощнее становились ускорители, тем выше поднималась действующая область энергии в физике, что позволяло детально изучить явления в космических лучах. Впрочем, верхние пределы энергии, которые в космических лучах составляют сейчас 3х1020 электрон-вольт, прежнему, на порядок превосходят результаты, воплощаемые в лабораториях.

Большой Адронный Коллайдер

Например, для понимания превосходства: в БАК (Большом Адронном Коллайдере) частички разгоняют до энергии в 14х1012 степени электрон-вольт, что примерно в 10 млн раз меньше. Кстати, вспомните период времени, когда твердили, что БАК станет причиной возникновения чёрных дыр, что приведёт к гибели человечества. Как следует из вышесказанного, в атмосфере уже очень давно происходят события энергитически мощнее, чем создаются в БАК. И развитию человечества это ни помешало. Космолучи как бы являются «природными ускорителями«.

Взрыв Сверхновой

Очевидно, что большая часть космических лучей прилетает к нам от Солнца. Но в 1960 году В.Л. Гинзбург и С. И. Сыроватский высказали мнение, что космолучи рождаются в галактике при вспышке сверхновых. И уже спустя 8 лет обнаруживается гамма-излучение высокой энергии, прилетевшее из галактики. В дальнейшем теории учёных развивались на рассмотрение внегалактических следов космолучей и частичек из молодой Вселенной.

Достаточно истории космических лучей, давайте обсудим из чего же состоят космолучи.

Состав космических лучей и происхождение

Как уже говорилось ранее, посредством космических лучей, опытным путём зафиксировали такие частички, как позитрон, мюон, би-мезон. Однако в составе космолучей этих частиц крайне мало. Большую часть космических лучей составляют протоны, это около 90% от всех лучей, приходящих с космоса. Около 7% составляют альфа-частицы, т.е. ядра гелия, и только маленькая часть примерно 1% это ядра на порядок тяжелее, например, углерод и железо. Удивительно, но эти «тяжеленные» ядра прилетают именно из галактики.

Космические лучи прилетающие с нашей звезды имеют составе, в большинстве случаев, это протоны 98%. То, что космолучи из галактики состоят из тяжелых ядер, элементарно объясняется, что рождаются они в следствии образования (взрыва) сверхновых.

Теория относительности Эйнштейна

Кстати, космолучи подтвердили ТО (Теорию Относительности). Что ещё больше придаёт значимости космическим лучам.

Когда протон взаимодействует с земной атмосферой, возникает ливень частичек. Это явление рассмотрим по-подробнее. При воздействии космических лучей на атомарные ядра воздушных газов, в большинстве случаев с ядрами N2 и O2, первичные космолучи, как правило, рождают огромное количество вторичных частичек ионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов, позитронов и фотонов. Этот поток имеет огромную зону и носит имя большой атмосферный ливень. За одно взаимодействие протончик, как правило, отдаёт примерно половину своего энергетического потенциала. В итоге этого акта рождаются в большинстве случаев пионы. Всякий следующий акт первичной частицы создаёт поток новых частиц, которые придерживаются траектории первичной частицы, создавая ливень. Созданные пионы как правило воздействуют на атомарные ядра воздуха, но и могут разрушаться, создавая мюонные и электронно-фотонные составляющие потока. Ядра частицы в итоге до земли в конечном счёте не долетают «перевоплощаясь» в мюоны, нейтрино и гамма-кванты.

Обнаружение космических лучей

Как же обнаруживаются лучи из космоса и какие данные желают получить учёные от этого явления?

Т.к. энергетический спектр космолучей огромен от 106 до 1020 электрон-вольт, способы их детектирования и мониторинга крайне многообразны. Например, это наземные сооружения огромной территории для детектирования больших воздушных каскадов (ливней). Эти сооружения могут обнаруживать следы космических лучей, при чем наблюдается широкая часть небосвода. Эти детекторы способны работать более 90% времени. К сожалению эти сооружения очень чувствительны к фоновому излучению, и порой различить частицы, прилетевшие из космоса и земные частицы очень затруднительно.

Черенковское излучение

Другой способ регистрации это использование черенковского излучения. Когда некие частицы, например, космические частицы, двигаются быстрее скорости света в некоторой среде, появляется излучение, называемое черенковским, которое и детектируется. Данные телескопы хоть и отлично могут отличить фоновую радиоактивность и космолучи, но функционируют они лишь в ясную ночную погоду, когда нет Луны на небе и у них малюсенькое поле зрения. И могут иследовать такие телескопы непродолжительное время.

Телескоп Veritas

Самый популярный телескоп, регистрирующий черенковское излучение, это Veritas и Has. Телескопы детектируют гамма-излучения, т.е. черенковское. Они смогли внести огромнейший вклад в исследование пульсаров, квазаров, звездных скоплений, гамма-всплесков, и в исследование происхождения космолучей, находящихся за пределами галактики и сверхмассивной чёрной дыры, являющейся центром Млечного Пути.

Есть и иные способы регистрации космических лучей, а также последствий, вызванных ими, но все они имеют связь лишь с их воздействием с некой материалов, будь то пластмасса, азот или перенасыщенные водные пары и т.д.

Применение космолучей

А есть ли практическое применение космических лучей?!

Египетские пирамиды

Однозначно, да. К примеру, исследование сооружений Египетских пирамид. В процессе воздействия космолучей на атмосферу, как было отмечено выше, появляются мюоны. И с помощью мюонной рентгенографии или, как говорится в «Natural«, учёные смогли «увидеть» ещё неизведанные пустоты в пирамидах. В общем, это говорит о том, что сегодняшняя физика фундаментальных частиц и космических лучей, сможет сделать новые открытия в археологии.

Нейтрино

Но давайте-ка взглянем пошире на это явление. Собственно, космические лучи служат источниками этих «неуловимых» нейтрино, будоражащие научный мир. Скорее всего, космолучи могут дать нам информацию, о таких «теоретических» частицах, как магнито-монополи или гравитоны, исследовать которые, мы пока что не в силах, по причине не способности создания нужных условий нашими современными ускорителями . К тому же, реликтовое излучение это одно из разновидностей космолучей. И северное сияние тоже следствие проявления космических лучей.

0

Автор публикации

не в сети 6 дней

Admin

Admin 0
Комментарии: 0Публикации: 91Регистрация: 26-11-2017

Читайте также:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Авторизация
*
*
Войти с помощью: 
Регистрация
*
*
*
Войти с помощью: 
Генерация пароля