Космические лучи что это

Космические лучи

Косми́ческие лучи́ — элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве.

Содержание

Основные сведения

Физику космических лучей принято считать частью физики высоких энергий и физики элементарных частиц.

Физика космических лучей изучает:

Изучение потоков высокоэнергетичных заряженных и нейтральных космических частиц, попадающих на границу атмосферы Земли, является важнейшими экспериментальными задачами.

Классификация по происхождению космических лучей:

Первичными принято называть внегалактические и галактические лучи. Вторичными принято называть потоки частиц, проходящие и трансформирующиеся в атмосфере Земли.

Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности Земли и в атмосфере.

До развития ускорительной техники космические лучи служили единственным источником элементарных частиц высокой энергии. Так, позитрон и мюон были впервые найдены в космических лучах.

Традиционно частицы, наблюдаемые в КЛ, делят на следующие группы: L, M, H, VH (соответственно, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые). Особенностью химического состава первичного космического излучения является аномально высокое (в несколько тысяч раз) содержание ядер группы L (литий, бериллий, бор) по сравнению с составом звёзд и межзвёздного газа. Данное явление объясняется тем, что частицы КЛ под воздействием галактического магнитного поля хаотически блуждают в пространстве около 7 млн лет, прежде чем достигнуть Земли. За это время ядра группы VH могут неупруго провзаимодействовать с протонами межзвёздного газа и расколоться на более легкие фракции. Данное предположение подтверждается тем, что КЛ обладают очень высокой степенью изотропии.

История физики космических лучей

Впервые указание на возможность существования ионизирующего излучения внеземного происхождения было получено в начале XX века в опытах по изучению проводимости газов. Обнаруженный спонтанный электрический ток в газе не удавалось объяснить ионизацией, возникающей от естественной радиоактивности Земли. Наблюдаемое излучение оказалось настолько проникающим, что в ионизационных камерах, экранированных толстыми слоями свинца, все равно наблюдался остаточный ток. В 1911—1912 годах был проведен ряд экспериментов с ионизационными камерами на воздушных шарах. Гесс обнаружил, что излучение растет с высотой, в то время как ионизация, вызванная радиоактивностью Земли, должна была бы падать с высотой. В опытах Кольхерстера было доказано, что это излучение направлено сверху вниз.

В 1921—1925 годах американский физик Милликен, изучая поглощение космического излучения в атмосфере Земли в зависимости от высоты наблюдения, обнаружил, что в свинце это излучение поглощается так же, как и гамма-излучение ядер. Милликен первым и назвал это излучение космическими лучами. В 1925 году советские физики Л. А. Тувим и Л. В. Мысовский провели измерение поглощения космического излучения в воде: оказалось, что это излучение поглощалось в десять раз слабее, чем гамма-излучение ядер. Мысовский и Тувим обнаружили также, что интенсивность излучения зависит от барометрического давления — открыли «барометрический эффект». Опыты Д. В. Скобельцына с камерой Вильсона, помещенной в постоянное магнитное поле, дали возможность «увидеть», за счет ионизации, следы (треки) космических частиц. Д. В. Скобельцын открыл ливни космических частиц. Эксперименты в космических лучах позволили сделать ряд принципиальных для физики микромира открытий.

В 1932 году Андерсон открыл в космических лучах позитрон. В 1937 году Андерсоном и Неддермейером были открыты мюоны и указан тип их распада. В 1947 году открыли π-мезоны. В 1955 году в космических лучах установили наличие К-мезонов, а также и тяжелых нейтральных частиц — гиперонов. Квантовая характеристика «странность» появилась в опытах с космическими лучами. Эксперименты в космических лучах поставили вопрос о сохранении четности, обнаружили процессы множественной генерации частиц в нуклонных взаимодействиях, позволили определить величину эффективного сечения взаимодействия нуклонов высокой энергии. Появление космических ракет и спутников привело к новым открытиям — обнаружению радиационных поясов Земли (1958 г., (С. Н. Вернов и А. Е. Чудаков) [3] и, независимо от них в том же году, Ван Аллен), и позволило создать новые методы исследования галактического и межгалактического пространств.

Потоки высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве

В околоземном космическом пространстве (ОКП) различают несколько типов космических лучей. К стационарным принято относить галактические космические лучи (ГКЛ), частицы альбедо и радиационный пояс. К нестационарным — солнечные космические лучи (СКЛ).

Галактические космические лучи (ГКЛ)

Галактические космические лучи (ГКЛ) состоят из ядер различных химических элементов с кинетической энергией Е более нескольких десятков МэВ/нуклон, а также электронов и позитронов с Е>10 МэВ. Эти частицы приходят в межпланетное пространство из межзвёздной среды. Источником этих частиц являются сверхновые звезды нашей Галактики. Возможно, однако, что в области Е Вторичные частицы в магнитосфере Земли: радиационный пояс, частицы альбедо

Внутри магнитосферы, как и в любом дипольном поле, есть области, недоступные для частиц с кинетической энергией E, меньше критической. Те же частицы с энергией E Солнечные космические лучи

Солнечными космическими лучами (СКЛ) называются энергичные заряженные частицы — электроны, протоны и ядра, — инжектированные Солнцем в межпланетное пространство. Энергия СКЛ простирается от нескольких кэВ до нескольких ГэВ. В нижней части этого диапазона СКЛ граничат с протонами высокоскоростных потоков солнечного ветра. Частицы СКЛ появляются вследствие солнечных вспышек.

Космические лучи ультравысоких энергий

Регистрация космических лучей

Долгое время после открытия космических лучей, методы их регистрации не отличались от методов регистрации частиц в ускорителях, чаще всего — газоразрядные счётчики или ядерные фотографические эмульсии, поднимаемые в стратосферу, или в космическое пространство. Но данный метод не позволяет вести систематические наблюдения частиц с высокой энергией, так как они появляются достаточно редко, а пространство, в котором такой счётчик может вести наблюдения, ограничено его размерами.

Современные обсерватории работают на других принципах. Когда высокоэнергетичная частица входит в атмосферу она, взаимодействуя с атомами воздуха на первых 100 г/см², рождает целый шквал частиц, в основном пионов и мюонов, которые в свою очередь рождают другие частицы, и так далее. Образуется конус из частиц который называют ливнем. Такие частицы двигаются со скоростью, превышающей скорость света в воздухе, благодаря чему возникает черенковское свечение, регистрируемое телескопами. Такая методика позволяет следить за областями неба площадью в сотни квадратных километров.

Значение для космических полётов

Длительное воздействие космической радиации способно очень негативно отразиться на здоровье человека. Для дальнейшей экспансии человечества к иным планетам Солнечной системы следует разработать надёжную защиту от подобных опасностей — учёные из России и США уже ищут способы решения этой проблемы.

Источник

Космическое излучение

В широком смысле космическое излучение подразумевает под собой любое волновое или корпускулярное излучение, которое зарождается вне Земли. Однако, в научной прикладной сфере чаще всего под ним понимают более узкий термин – космические лучи. Это понятие входит в более широкое, плюс реликтовый фон в радиодиапазоне и некоторые другие лучи. В англоязычном сегменте cosmic rays и cosmic radiation тождественны, поэтому и мы будем использовать такой подход.

История открытия космических лучей

В начале двадцатого века многие физики исследовали спонтанную ионизацию газа радиацией. Откуда возникал ток в камерах с газом, стенки которых были из свинца толщиной в полметра? Такой механизм пытались объяснить влиянием радиоактивного распада в недрах Земли и какое-то время гипотеза была рабочей.

Австрийско-американский физик ВИКТОР ФРАНЦ ХЕСС, лауреат Нобелевской премии по физике (1936 г.) за открытие космических лучей.

Однако, в 1912 году исследователь Хесс провел эксперимент с подъемом камер на воздушных шарах. Он обнаружил, что с набором высоты спонтанная ионизация газа нарастала. То есть, чем дальше от Земли – тем больше радиация. После этого уже почти не осталось сомнения, что имеет место некое излучение из космоса.

Первым их окрестил космическими лучами американских физик Милликен. Он же определил приблизительную интенсивность и энергию этого излучения, сравнив его с гамма-радиацией атомных ядер. А в 1932 году Андерсон открыл в космических лучах позитроны, в 1955 – мюоны и мезоны. В 1958 Ван Аллен обнаружил вокруг Земли так называемые радиационные пояса, которые создаются высокоэнергетическими частицами галактического излучения.

Природа и виды космического излучения

Все космические лучи делятся на первичные – непосредственно из космоса, и вторичные – которые образуются в магнитосфере Земли. Из первичного подвида начнем разбираться с галактических космических лучей (ГКЛ).

Гамма-всплеск, нарисованный художником

ГКЛ приходят к нам из-за пределов Солнечной Системы, из разных точек Млечного Пути, собственно, поэтому так и называются. Состоят они из ядер лития, бериллия, бора, разогнанных до энергий от 10-20 мегаэлектронвольт, а также высокоэнергетичных электронов и позитронов. Гипотез происхождения ГКЛ много, но самыми реальными являются сверхновые звезды, либо коллапсары – магнетары, пульсары. Они своими мощными магнитными полями могут разгонять частицы до гигантских скоростей и энергий.

Очевидно предположить, что следующим активным источников космического излучения должно быть наше светило – Солнце. Этот тип так и называется – солнечные космические лучи (СКЛ). В них могут быть и электроны, и протоны, и ядра многих химических элементов, в основном гелия. Эти частицы рождаются в момент вспышек на нашем светиле.

Ультрафиолетовой излучение в солнечном спектре

Далее идет такой экстремальный вид КЛ, как гамма-всплески. Впервые их зафиксировали в 1967 году с американского военного спутника, предназначенного для отслеживания ядерных взрывов. Это гамма-излучение приходит к нам от объектов за миллиарды световых лет, можно сказать с другого края вселенной. Более того, оно настолько высоко энергетично, что случись такой всплеск у нас в галактике – вся жизнь на Земле бы вымерла (есть гипотеза, что вымирание трилобитов в ордовикском периоде было вызвано гамма-всплеском). Благо, такие события редки и узконаправлены – считается, что в Млечном Пути они происходят раз в миллион лет.

Что же порождает выбросы такой гигантской энергии? Единого ответа нет, но вероятнее всего они связаны либо со слиянием компактных релятивистских объектов (нейтронных звезд, черных дыр), либо с коллапсом сверхновых звезд определенного (быстровращающиеся) типа. За доли секунд такой объект испускает струю (джет) гамма-лучей с энергией, которую Солнце выделяет за миллионы лет. И потом этот узкий “луч смерти” летит сквозь вселенную.

Следующий вид космического излучения тоже можно отнести к редким и экстремальным явлениям. Речь идет о частицах сверхвысоких энергий (лучи Oh-My-God). Это энергии в 20 миллионов раз превышающие достигнутые на ускорителях частиц. Впервые они были зафиксированы в 1991 году и с тех пор регистрировались всего до 100 раз (то есть, это очень редкое явление). Их источник до сих пор не выявлен и дискутабелен в научной среде.

Все эти типы относятся к первичным, теперь же рассмотрим вторичные космические лучи. К ним относятся частицы (преимущественно протоны и электроны), которые захватываются магнитным полем Земли и циркулируют на определенных высотах. Есть два радиационных пояса Ван Аллена – нижний, на высоте 4000 км, и верхний, 17000 км.

Влияние на человека и социум

Никакого ощутимого влияния у поверхности Земли космическое излучение не имеет и негативных эффектов на здоровье человека не оказывает. Это связано с тем, что атмосфера и магнитосфера планеты нейтрализуют все виды корпускулярных лучей. Естественно, здесь речь не идет о гамма-всплесках, а только о галактических и солнечных частицах.

Гамма-всплески, в свою очередь, по расчетам могут вызывать катастрофические последствия для жизни. Так, если выброс джета от сверхновой нужного типа произойдет на расстоянии 300 световых лет от нас – всплеск буквально выжжет всю планету дотла. Энергия воздействия будет равноценна взрыву термоядерной бомбы на каждый квадратный километр! Но нужно помнить, что во-первых, эти события очень редки, а во-вторых, должны быть прицельно направлены на Землю, а в бескрайнем космосе такая вероятность ничтожно мала.

С другой стороны, космические лучи приобретают большую важность в космонавтике, особенно в будущих межпланетных перелетах. Потому что они могут наносить существенный вред астронавтам без защиты магнитосферы Земли. Высокоэнергетичные частицы могут повреждать ДНК клеток человека и вызывать опасные для жизни заболевания.

Похожие статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Источник

Космические лучи. Что это такое?

Они абсолютно невидимы. Их очень много. Они смертельно опасны. Это — космические лучи.

Каждый кубический сантиметр пространства пропитан космическими лучами. Это крошечные субатомные частицы, постоянно текущие через нас. Космические лучи в основном состоят из протонов. Но иногда включают и более тяжелые атомные ядра. Они движутся почти со скоростью света. Один из обнаруженных космических лучей (известный как «частица OMG (Oh-My-God)» из-за своей чрезвычайной энергии), врезался в атмосферу нашей планеты в 1991 году. Он прибыл к нам со скоростью 99,99999999999999999999951% от скорости света.

Но несмотря на свое название, космические лучи — это вовсе не лучи. Да как же так! (Возможно скажете Вы😁). Все дело в том, что в 1911 году, когда ученый Виктор Гесс отправил первые детекторы космических лучей на высоту 5300 метров в атмосферу, он не смог отличить обнаруженные частицы от электромагнитного излучения. (Кстати. Гесс впоследствии, несмотря на эту ошибку, получил за эту работу Нобелевскую премию). Но на момент открытия природа явления была не очень важна. Главное — это были лучи сверхвысокой энергии, приходящие из космоса! И несмотря на то, что более поздние эксперименты раскрыли истину, название прижилось.

Откуда берутся космические лучи?

Звездные слияния тоже могут генерировать подобную энергию. Рождение новых звезд, поглощение их черными дырами, неистовые аккреционные диски вокруг массивных черных дыр — все эти события и объекты испускают космические лучи различной энергии, которые разлетаются по всему космосу.

Однако точно определить, откуда берутся космические лучи, — непростая задача. Ведь они являются заряженными частицами. И реагируют на магнитные поля. Наша Галактика Млечный Путь имеет слабое (но глобальное) магнитное поле, которое изменяет траекторию любых космических лучей, приходящих их других частей Вселенной. Поэтому космические лучи из-за пределов нашей Галактики прибывают к детекторам на Земле с совершенно случайных направлений. Это лишает ученых возможности как-либо объяснить их происхождение.

У современных астрономов есть множество инструментов для поиска таких высокоэнергетических частиц. Самый простой метод — прямое обнаружение. Нужно просто построить специальный ящик и подождать, пока в него ударит космический луч. И записать результат. Такие детекторы установлены, например, на Международной космической станции. Но они весьма ограничены по размеру. И направляют свои взоры только на небольшую часть наблюдаемой Вселенной. Поэтому крупнейшие обсерватории космических лучей используют косвенные методы.

Как часто они попадают на Землю?

По данным НАСА, космические лучи постоянно попадают в атмосферу Земли. Когда это происходит, высвобождается накопленная энергия в виде потока вторичных частиц, которые затем попадают на Землю. И этот поток можно обнаружить, например, с помощью обсерватории Пьера Оже в Аргентине. Вы даже можете построить детектор космических лучей дома. Смочите войлочную подушку в изопропиловом спирте. И поместите ее над сухим льдом. Спирт будет образовывать перенасыщенный пар. Когда придет космический луч, он оставит видимый след в этом паре. Вы можете найти инструкции о том, как это сделать, на веб-сайте CERN.

С помощью самодельного детектора космических лучей Вы можете увидеть около одного низкоэнергетического (около 10 ^ 10 электронвольт) космического луча на квадратный метр в секунду. Более высокоэнергетические космические лучи, имеющие энергию порядка 10 в 15 степени эВ, поражают один квадратный метр примерно один раз в год.

Вредны ли космические лучи?

Космические лучи всех энергий опасны для людей и изделий тяжелой и легкой промышленности😁. Они могут нарушить работу электроники. И даже способны выводить из строя цифровые фотоаппараты. Как форма ионизирующего излучения они могут создать множество негативных последствий для здоровья человека.

Плотная атмосфера нашей планеты и ее мощное магнитное поле хорошо защищают людей от разрушительного воздействия космических лучей. Однако они представляют серьезную опасность для космонавтов. Шестимесячное пребывание на МКС обеспечивает космонавтам дозу космического излучения, эквивалентную той, что 25 человек получат за всю свою жизнь в обыкновенных условиях на Земле. А миссия на Марс туда и обратно, включая некоторое минимальное время пребывания на его незащищенной поверхности, утроит эту дозу.

Космические агентства в настоящее время усердно работают над определением долгосрочных неблагоприятных последствий для здоровья накопленных повреждений, наносимых космическими лучами. И пытаются разработать системы для снижения рисков. Такие, например, как проектирование специальных капсул, в которых груз действует как щит от космических лучей.

Хотя космические лучи обычно доставляют неудобства, без них эволюция жизни, возможно, была бы весьма затруднена. Поскольку они вызывают мутации, которые и предоставляют живым организмам способность эволюционировать.

Источник

Как было обнаружено космическое излучение?

Что такое космическое излучение?

Как было обнаружено космическое излучение?

Около века назад ученые начали измерять заряды в атмосфере. В то время, хотя некоторые из них действительно обнаруживали явления ионизации в атмосфере, они полагали, что заряды испускаются Землей, а не из космоса.

В 1912 году немецкий ученый Виктор Гесс поднялся на воздушном шаре на 5000 метров и измерил изменения в атмосфере. Он обнаружил, что обнаруженный ток увеличивается с высотой, что привело к его убеждению, что ток был вызван сильным проникающим излучением из космоса. Этот вид излучения впоследствии был назван «космическими лучами». И благодаря этому открытию Виктор Гесс был удостоен Нобелевской премии по физике в 1936 году.

Состав космических лучей

Космические лучи состоят в основном из высокоэнергетических протонов: 85% ядер водорода, 12% α-частиц, с небольшой долей электронов и некоторыми более тяжелыми атомными ядрами. Космические лучи движутся в пространстве почти со скоростью света, некоторые из которых достигают Земли.

Воздействие космических лучей на организм человека

Как человеческое тело сталкивается с космическим излучением?

Пока мы живем на поверхности Земли, нет необходимости принимать какие-либо меры предосторожности против воздействия космического излучения. Это потому, что у Земли есть два механизма, чтобы защитить нас от вреда космических лучей:

Космические лучи проходят через атмосферу, ослабляются и в конечном итоге достигают земли

Эти вторичные частицы имеют достаточную энергию для производства частиц следующего поколения. В результате последовательных преобразований будет получен большой кластер частиц. Однако большинство этих частиц будут поглощаться или саморазрушаться при попадании в атмосферу. Большая часть космического излучения не может достичь поверхности Земли. Энергии частиц, которые проникают на поверхность Земли, будут дополнительно уменьшаться при приближении к земле.

Следовательно, атмосфера действует как барьер для блокирования частиц высоких энергий. Когда космические лучи достигают поверхности Земли, потенциальные вредные воздействия значительно уменьшаются.

Как Гонконгская обсерватория измеряет космические лучи?

Для измерения космических лучей на уровне земли самое главное-минимизировать воздействие других источников излучения, исходящих с земли. Поэтому при проведении измерений существуют определенные требования для обеспечения хороших результатов:

Прежде всего, нам нужно провести измерение в большом пресноводном озере, чтобы ионизирующее излучение радиоактивных веществ в земной коре было поглощено водой; точка измерения должна находиться далеко от гор, почвы и камней, ее расстояние должно быть не менее 1000 метров от берега; а также глубина воды около 6 метров.

Сотрудники обсерватории проводят измерения космических лучей на водохранилище Пловерской бухты

На следующем рисунке показаны временные ряды космических излучений, измеренных HKO в 2000–2009 годах. В течение этого периода средняя мощность дозы гамма-излучения находилась в диапазоне от 0,029 до 0,038 мкГр-1, тогда как общее среднее значение составляло 0,033 мкГр-1.

Источник