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  • 宇宙射线

    宇宙射线,指的是来自于宇宙中的一种具有相当大能量的带电粒子流。1912年,德国科学家韦克多•汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中,发现电离室内的电流随海拔升高而变大,从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的,于是有人为之取名为“宇宙射线”。

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    简介/宇宙射线 编辑

    宇宙射线宇宙射线

    宇宙射线亦称为宇宙线,是来自外太空的带电高能次原子粒子。它们可能会产生二次粒子穿透地球的大气层和表面。射线这个名词源自于曾被认为是电磁辐射的历史。主要的初级宇宙射线 (来自深太空与大气层撞击的粒子) 成分在地球上一般都是稳定的粒子,像是质子原子核、或电子。但是,有非常少的比例是稳定的反物质粒子,像是正电子或反质子,这剩余的小部分是研究的活跃领域。

    大约89%的宇宙线是单纯的质子或氢原子核,10%是氦原子核或α粒子,还有1%是重元素。这些原子核构成宇宙线的99%。孤独的电子 (像是β粒子,虽然来源仍不清楚),构成其余1%的绝大部分;γ射线和超高能中微子只占极小的一部分。

    电子 (β粒子)-内部结构模型图宇宙射线:电子 (β粒子)-模型图[1]

    粒子能量的多样化显示宇宙线有着广泛的来源。这些粒子的来源可以是太阳 (或其它恒星) 上的一些程序或来自遥远的可见宇宙,由一些还未知的物理机制产生的。宇宙线的能量可以超过1020 eV,远超过地球上的粒子加速器可以达到的1012至1013 eV,使许多人对有更大能量的宇宙线感兴趣而投入研究。

    经由宇宙线核合成的过程,宇宙线对宇宙中锂、铍、和硼的产生,扮演着主要的角色。它们也在地球上产生了一些放射性同位素,像是碳-14。在粒子物理的历史上,从宇宙现中发现了正电子、μ和π介子。宇宙线也造成地球上很大部份的背景辐射,由于在地球大气层外和磁场中的宇宙线是非常强的,因此对维护航行在行星际空间的太空船上太空人的安全,在设计有重大的影响。[2]

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    发现/宇宙射线 编辑

    宇宙射线宇宙射线
    宇宙射线1912年,德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中,发现电离室内的电流随海拔升高而变大,从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的,于是有人为之取名为“宇宙射线”。

    历史记录/宇宙射线 编辑

    宇宙射线宇宙射线
    1900至1910年,十年内逐增高度的电离率测量显示出一个能够通过空气对电离辐射的吸收解释的降值。其后,赫斯于1912年利用一个热气球,带着三台静电计,登上了5300米的高空。他探测到电离率增长到大约地面率的四倍。他得出的结论是“我的观察结果最好的解释是设想一种高穿透力的射线从上部进入大气层。”赫斯因为这次后人命名为“宇宙线”(cosmic rays)的发现于1936年获得诺贝尔物理学奖。 

    成分/宇宙射线 编辑

    宇宙射线宇宙射线

    宇宙射线大致可以分成两类:原生和衍生宇宙线。 来自太阳系外的天文物理产生的宇宙线是原生宇宙线;这些原宇宙线会和星际物质作用产生衍生 (二次) 宇宙线。太阳在产生闪焰时,也会产生一些低能量的宇宙线。在地球大气层外的原宇宙线,确实的成份,取决于观测能量谱的哪些部份。不过,一般情况下,进入的宇宙线几乎90%是质子,9%是氦核 (α粒子),和大约1%是电子。氢和氦核的比例 (质量比氦核是28%) 大约与这些元素在宇宙中的元素丰度 (氦的质量占24%) 相同。

    其余丰富的部份是来自于恒星核合成最终产物的其它重原子核。衍生宇宙线包含其它的原子核,它们不是丰富的核合成或大爆炸的最终产物,原生的锂、铍、和硼。这些较轻的原子核出现在宇宙线中的比例远大于在太阳大气层中的比例 (1:100个粒子),它们的丰度大约是氦的10−7。

    宇宙线:质子-内部结构模型图宇宙线:质子-内部结构模型图

    这种丰度的差异是衍生宇宙线造成的结果。当宇宙线中重的原子核成份,即碳和氧的原子核,与星际物质碰撞时,它们分裂成较轻的锂、铍、硼原子核 (此过程被称为宇宙射线散裂)。被发现的锂、铍和硼的能谱比来自碳或氧的更为尖细,这个值暗示有少数的宇宙射线散裂是由更高能量的原子核产生的,推测大概是因为它们是从银河的磁场逃逸出来的。散裂也对宇宙线中的钪、钛、钒和锰离子等的丰度负责,它们是宇宙线中的铁和镍原子核与星际物质撞击产生的。

    即使卫星实验在原宇宙线中发现一些反质子和正电子存在的证据,但没有复杂的反物质原子核 (例如反氦核) 存在的证据。在原宇宙线中观测到的反物质丰度是符合它们也能由原宇宙线在深太空和普通物质撞击,在衍生宇宙线的程序中产生的理论。例如,一种在实验室中产生反质子的标准方法是以能量大于6 GeV 的质子去撞击其他的质子,而在原宇宙线中很轻易的就有许多质子的能量超过这个数值。无论是否在银河系中,当简单的反物质能够由这种程序产生时 (不是在大气层的高层),它们仍可能传播遥远的距离抵达地球,而不会在星际空间中与其他的氢原子碰撞而湮灭。抵达地球的反质子特征是能量最多只有2GeV,显示它们产生的过程在基本上与宇宙线中的质子是截然不同的。

    在过去,人们认为宙线的通量随着时间的推移一直是相当稳定。最近的研究显示,以1.5至2千年的时间尺度,有证据显示在过去的40,000年,宇宙线的通量是有变化的。

    探测/宇宙射线 编辑

    宇宙射线宇宙射线

    宇宙射线中的核子之所以能够从他们遥远的源头一直到达地球,是因为宇宙中物质的低密度。核子与其它物质有着强烈的感应,所以当宇宙线接近地球时,便开始于大气层气体中的核子撞击。在粒子雨的过程中,这些碰撞产生很多π介子和K介子,这些是会很快衰退为μ子的不稳定介子。由于与大气层没有强烈的感应以及时间膨胀的相对论性效应,许多μ子能够到达地球表面。μ子属于电离辐射,从而可以轻易被许多粒子探测器检测到,例如气泡室,或闪烁体探测器。如果多个μ子在同一时间被不同的探测器检测到,那么它们一定产自同一次粒子雨。

    新的探测手段能够不通过粒子雨这个现象检测这些高能粒子,也就是在太空中,不受大气层的干扰,直接探测宇宙线,例如阿尔法磁谱仪实验。

    宇宙射线

    亨利·贝克勒1896年发现放射性后,许多人认为大气中的电流(地球大气层的电离)仅来自于土中放射性物质或产生出的放射性气体(氡气的同位素)的辐射。

    影响/宇宙射线 编辑

    (图)宇宙射线宇宙射线

    虽然当宇宙射线到达地球的时候,会有大气层来阻挡住部分的辐射,但射线流的强度依然很大,很可能对空中交通产生一定程度的影响。比方说,现代飞机上所使用的控制系统和导航系统均有相当敏感的微电路组成。一旦在高空遭到带电粒子的攻击,就有可能失效,给飞机的飞行带来相当大的麻烦和威胁。

    还有科学家认为,长期以来普遍受到国际社会关注的全球变暖问题很有可能也与宇宙射线有直接关系。这种观点认为,温室效应可能并非全球变暖的惟一罪魁祸首,宇宙射线有可能通过改变低层大气中形成云层的方式来促使地球变暖。这些科学家的研究认为,宇宙射线水平的变化可能是解释这一疑难问题的关键所在。他们指出,由于来自外层空间的高能粒子将原子中的电子轰击出来,形成的带电离子可以引起水滴的凝结,从而可增加云层的生长。也就是说,当宇宙射线较少时,意味着产生的云层就少,这样,太阳就可以直接加热地球表面。对过去20年太阳活动和它的放射性强度的观测数据支持这种新的观点,即太阳活动变得更剧烈时,低空云层的覆盖面就减少。这是因为从太阳射出的低能量带电粒子(即太阳风)可使宇宙射线偏转,随着太阳活动加剧,太阳风也增强,从而使到达地球的宇宙射线较少,因此形成的云层就少。此外,在高层空间,如果宇宙射线产生的带电粒子浓度很高,这些带电离子就有可能相互碰撞,从而重新结合成中性粒子。但在低空的带电离子,保持的时间相对较长,因此足以引起新的云层形成。

    此外,几位美国科学家还认为,宇宙射线很有可能与生物物种的灭绝与出现有关。他们认为,某一阶段突然增强的宇宙射线很有可能破坏地球的臭氧层,并且增加地球环境的放射性,导致物种的变异乃至于灭绝。另一方面,这些射线又有可能促使新的物种产生突变,从而产生出全新的一代。这种理论同时指出,某些生活在岩洞、海底或者地表以下的生物正是由于可以逃过大部分的辐射才因此没有灭绝。从这种观点来看,宇宙射线倒还真是名副其实的“宇宙飞弹”。  

    意义/宇宙射线 编辑

    宇宙射线宇宙射线

    人类仍然不能准确说出宇宙射线是由什么地方产生的,但普遍认为它们可能来自超新星爆发、来自遥远的活动星系;它们无偿地为地球带来了日地空间环境的宝贵信息。科学家希望接收这些射线来观测和研究它们的起源和宇观环境中的微观变幻。

    宇宙射线的研究已逐渐成为了天体物理学研究的一个重要领域,许多科学家都试图解开宇宙射线之谜。可是一直到现在,人们都并没有完全了解宇宙射线的起源。一般的认为,宇宙射线的产生可能与超新星爆发有关。对此,一部分科学家认为,宇宙射线产生于超新星大爆发的时刻,“死亡”的恒星在爆发之时放射出大能量的带电粒子流,射向宇宙空间;另一种说法则认为宇宙射线来自于爆发之后超新星的残骸。

    不管最终的定论将会如何,科学家们总是把极大的热情投入到宇宙射线的研究中去。关于为什么要研究宇宙射线,罗杰·柯莱在其著作《宇宙飞弹》作出了精辟的阐释;“宇宙射线的研究已变成天体物理学的重要领域。尽管宇宙射线的起源至今未能确定,人们已普遍认为对宇宙射线的研究能获得宇宙绝大部分奇特环境中有关过程的大量信息:射电星系、类星体以及围绕中子星和黑洞由流入物质形成的沸腾转动的吸积盘的知识。我们对这些天体物理学客体的理解还很粗浅,当今宇宙射线研究的主要推动力是渴望了解大自然为什么在这些天体上能产生如此超常能量的粒子。”

    探测方式/宇宙射线 编辑

    宇宙射线宇宙射线

    直接探测法——1014eV以下的宇宙射线,通量足够大,可用面积约在平方公尺左右的粒子探测器,直接探测原始宇宙射线。这类探测器需要人造卫星或高空气球运载,以避免大气层吸收宇宙射线。   

    间接探测法——1014eV以上的宇宙射线,由于通量小,必须使用间接测量,分析原始宇宙射线与大气的作用来反推原始宇宙射线的性质。 当宇宙射线撞击大气的原子核后产生一些重子、轻子及光子(γ 射线)。这些次级粒子再重复作用产生更多次级粒子,直到平均能量等于某些临界值,次级粒子的数目达到最大值,称为簇射极大,在此之后粒子逐渐衰变或被大气吸收,使次级粒子的数目逐渐下降,这种反应称为“空气簇射”。地球地表的主要辐射源是放射性矿物,空气簇射的次级粒子是高空的主要辐射源,海拔20公里处辐射最强,100公里以上的太空辐射则以太阳风及宇宙射线为主。

    相关文献

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    参考资料
    [1]^引用日期:2014-04-08
    [2]^引用日期:2011-11-21
    扩展阅读
    1北京科技报:宇宙射线导致大量宇航员患白内障眼病,2004年11月04日

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