§ 237. Космическое излучение (космические лучи)

Уже при первых исследованиях радиоактивности было замечено, что в ионизационной камере (рис. 376) наблюдается некоторый незначительный ток даже в отсутствие радиоактивных препаратов. Наличие этого тока доказывало, что какое-то излучение постоянно создает в камере ионизацию, получившую название остаточной ионизации. Вначале пытались объяснить остаточную ионизацию примесями радиоактивных веществ в почве и атмосфере. В этом случае остаточная ионизация должна была бы уменьшаться при удалении ионизационной камеры от поверхности Земли. Однако опыты, в которых ионизационные камеры поднимались на аэростатах на большую высоту, показали обратный результат. На высоте  остаточная ионизация оказалась в 40 раз большей, чем на уровне Земли. Этот результат становится понятным, если допустить, что излучение, создающее остаточную ионизацию, приходит на Землю извне и на своем пути через атмосферу постепенно поглощается в ней. Дальнейшие опыты подтвердили внеземное происхождение излучения и показали также, что его интенсивность слабо зависит от положения на небе Солнца, Луны и других светил. Отсюда следовало, что излучение испускается не каким-либо отдельным небесным телом, а приходит равномерно со всех направлений мирового пространства. Ввиду этого излучению, вызывающему остаточную ионизацию, было дано название космического излучения или космических лучей.

Природа космического излучения оказалась весьма сложной. Только в пятидесятых годах, опираясь на результаты многочисленных исследований, среди которых видное место занимают работы школы советского физика Д. В. Скобельцына, удалось составить известное представление о картине этого явления в целом. По современным представлениям первичное космическое излучение, т. е. излучение, приходящее из мировых глубин в земную атмосферу, состоит из быстро движущихся положительно заряженных частиц — протонов — и в меньшем числе — -частиц и других ядер. Энергия первичных частиц космического излучения огромна — она измеряется миллиардами электрон-вольт, а в некоторых случаях доходит даже до фантастических значений ; при этом чем больше энергия частицы, тем меньше встречается таких частиц в первичной компоненте. Относительно механизма ускорения, путем которого во Вселенной образуются частицы такой огромной энергии, существует ряд предположений, исследование которых продолжается.

Из первичного космического излучения только малая доля доходит до поверхности Земли. Подавляющая часть первичных частиц еще в верхних слоях атмосферы сталкивается с ядрами атомов, входящих в состав воздуха. Ввиду громадной энергии первичных частиц такие соударения приводят к расщеплению атомных ядер с испусканием быстрых нейтронов, протонов и -частиц. Кроме того, соударения частиц большой энергии с ядрами сопровождаются образованием новых частиц — различных мезонов и гиперонов (см. § 234). В зависимости от вида гипероны превращаются в мезон и нуклон (нейтрон или протон). Мезоны превращаются в конечном счете в электроны, позитроны или -кванты.

Итак, в результате соударения быстрой первичной частицы с атомным ядром образуется значительное количество вторичных частиц меньшей энергии — протонов, нейтронов, -частиц, различных гиперонов и мезонов, электронов, позитронов, -квантов. Пример такого процесса приведен на рис. 418. Вторичные частицы, продвигаясь в атмосфере, в свою очередь размножаются за счет ядерных расщеплений и других процессов, примером которых служит образование электронно-позитронных пар -квантами (см. § 223).

Наряду с размножением частиц в атмосфере происходит их поглощение, аналогично тому, как происходит поглощение -, - и -частиц при прохождении через вещество. В верхних слоях атмосферы преобладающим процессом является размножение, и число частиц космического излучения нарастает вплоть до высоты  над уровнем мор: Ниже этой  границы  главную роль играет поглощение, интенсивность излучения падает. График зависимости интенсивности космического  излучения от высоты приведен на рис. 421.

Рис. 421. Зависимость интенсивности космического излучения от высоты над уровнем моря. На высотах выше  присутствует только первичная компонента космического излучения, приходящая из мирового пространства, и интенсивность излучения не зависит от высоты. Ниже  интенсивность вначале увеличивается за счет образования вторичных частиц, а затем падает за счет возрастающего поглощения в атмосфере

Полная энергия, которую приносят космические лучи на Землю, весьма мала по сравнению с энергией, приносимой световым излучением Солнца, Поэтому влияние космического излучения на неживую природу Земли, по-видимому, невелико, В развитии жизни оно, возможно, существенно, так как ионизующие излучения увеличивают частоту мутаций и, следовательно, скорость эволюции. Исследование космического излучения имеет большое значение для познания элементарных частиц и Вселенной. Космическое излучение является естественной лабораторией, в которой разыгрываются процессы взаимодействия частиц огромной энергии, далеко превосходящей энергию частиц, ускоряемых самыми мощными лабораторными ускорителями. По мере увеличения энергии элементарных частиц возрастает богатство явлений, ими вызываемых, полнее раскрываются свойства частиц.

Исследования космического излучения привели в свое время к открытию позитрона и ряда мезонов; подробное изучение этих частиц было проведено в дальнейшем с помощью ускорителей. Можно думать, что и в будущем изучение космического излучения будет приносить цепные данные об элементарных частицах, особенно в связи с начинающимся использованием космических лабораторий (спутников). Все больше возрастает также роль космического излучения как источника астрофизической информации, т. е. сведений о процессах, происходящих в далеких областях Вселенной, где излучение зарождается и распространяется.

Радиоуглеродная датировка в археологии. Нейтроны космических лучен, взаимодействуя с атмосферным азотом, образуют -активный изотоп углерода , так называемый радиоуглерод (период полураспада 5730 лет):

.

Радиоуглерод содержится в воздухе в форме углекислоты, как и обычный углерод , в пропорции . Так как химические свойства всех изотопов углерода очень близки, такая же их пропорция сохраняется и в растениях, усваивающих атмосферную углекислоту, и в организме животных, питающихся растениями. Таким образом, животные и растения обладают крайне слабой, но поддающейся измерению радиоактивностью.

После смерти животного или растения поглощение углерода прекращается и активность  в останках постепенно уменьшается (вдвое за каждый период полураспада, т. е. за каждые 5730 лет). Сравнивая радиоактивность ископаемых органических остатков (отнесенную  к углерода) с радиоактивностью современных растений или животных, можно определить степень распада , а следовательно, и возраст остатков.

Для проверки справедливости этой идеи были проведены измерения с объектами известного возраста, в частности с образцами дерева из гробниц египетских фараонов Джосера и Спофру. Измеренная активность  хорошо соответствовала известным из рукописей датам смерти этих фараонов (примерно 2700—2625 лет до нашей эры).

Результаты подобных опытов доказали, что удельное содержание  в углекислоте воздуха за последние 50— 100 тысяч лет оставалось неизменным и что действительно после смерти организма углеродный обмен не происходит. Этим была заложена основа так называемого радиоуглеродного метода определения возраста (датировки), который теперь довольно широко и с большой пользой применяют о археологии.

58. Определите минимальную кинетическую энергию протонов, находимую для образования: а) -мезона в реакции ; б) пары протон — антипротон в реакции .

59. Зная массу нейтрального -мезона (), определите энергию -квантов, образующихся при распаде покоящегося нейтрального -мезона: .

60. Определите максимальную энергию электронов, испускаемых при -распаде нейтрона, если масса нейтрона равна , а масса атома водорода равна .