Состав космических лучей
Как мы выяснили, на нашу землю из космического пространства проникают свет, инфракрасное излучение и радиоволны. Всё это электромагнитные волны, и место испускания их можно с высокой степенью точности запеленговать при помощи телескопов, радиотелескопов и радиоинтерферометров. Учёные знают, где и как возникают эти излучения; но ими не исчерпываются все виды излучений, приходящих к нам из космоса.
Из космоса на землю идут также лучи, имеющие иную природу. Они представляют собой не волны, а поток частиц, явно отличающихся от квантов света. О световых квантах, или фотонах, мы знаем, что их масса покоя равна нулю. Она существует тогда и только тогда, когда фотоны летят со скоростью света. Этим они коренным образом отличаются от корпускул, которые и в состоянии покоя имеют определенную массу. Но зато корпускулы лишены того свойства, которое присуще самой природе световых квантов: они никогда не могут достичь скорости света.
Итак, эта вторая разновидность космического излучения состоит из частиц, имеющих определённую массу и перемещающихся с очень высокой скоростью. Обладая громадной кинетической энергией, они безжалостно пронизывают наше беззащитное тело и без труда пробивают крыши и стены домов, как если бы эти последние состояли из воздуха. Их можно обнаружить даже на дне глубоких морей.
Когда в 1911 г. это излучение было обнаружено, никто и не подозревал, какое колоссальное количество проблем породит это открытие. Вначале установили только одно: интенсивность нового излучения, которое проявляется прежде всего в увеличении электропроводности воздуха, всё больше возрастает с ростом расстояния от земной поверхности. Скоро обнаружили также, что источник этого излучения должен лежать где-то вне Земли. Поэтому оно было названо космическим излучением.
Трудность выяснения истинной природы этих лучей заключается в сложном составе земной атмосферы и многообразном взаимодействии излучения с атомными ядрами. Надо различать первичные космические лучи, приходящие прямо из космического пространства, и вторичное излучение, которое возникает в атмосфере Земли как следствие первичного излучения.
Число первичных и вторичных частиц различно, и его можно приблизительно определить при помощи графика на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость интенсивности космического излучения от высоты
Частицы первичного излучения вызывают в счетчике радиоактивных излучений относительно меньший импульс. По мере их проникновения в атмосферу сильно увеличивается число вторичных частиц; оно достигает максимума примерно на высоте 20 км. Затем, вследствие всё возрастающего поглощения воздуха, интенсивность этого вторичного излучения быстро падает.
Чтобы установить состав и энергию первичных компонентов, первичное излучение надо исследовать по возможности на больших высотах при помощи стратостатов или лучше всего вне земной атмосферы — на ракетах и искусственных спутниках.
В качестве измерительных приборов для этой цели служат приборы, используемые в ядерной физике: счетчики Гейгера — Мюллера, ионизационные камеры, кассеты с фотографическими пластинками, имеющими особенно плотный светочувствительный слой, в котором частицы космических лучей оставляют тонкие следы.
В результате проведённых исследований установили, что первичное излучение состоит из атомных ядер, летящих почти со скоростью света. В потоке первичных лучей преобладают ядра водорода — протоны. Их энергия превышает энергии всех известных нам частиц, изученных в земных условиях.
Как и в ядерной физике энергию первичной частицы принято выражать в электрон-вольтах (эв).
Представим себе в безвоздушном пространстве две металлические пластинки, между которыми приложено напряжение 1 в. Если вблизи отрицательно заряженной пластинки находится электрон, который, как известно, имеет отрицательный заряд, то он будет притягиваться к положительной пластинке. Подобно камню в поле тяготения, он будет двигаться ускоренно и с определённой скоростью упадёт на положительно заряженную пластинку.
Пройденный при этом путь не играет никакой роли, решающим является только напряжение между начальной и конечной точками его пути, которое составляло 1 в. Соответствующая конечная энергия электрона будет тогда равна 1 эв.
Если в электронной лампе существует анодное напряжение 100 в, то конечная энергия электрона, вылетевшего из катода, равна 100 эв. Для сравнения приведём следующие данные: частицы, излучаемые радиоактивными веществами, имеют энергию порядка 106 эв; величайшие в мире ускорители частиц сообщают протонам энергию 30 х 109 эв. А частицы первичных космических лучей имеют среднюю энергию 30 х 109 эв, причём отдельные частицы обладают энергией даже 1019 эв.
Это превышает энергию радиоактивных излучений в 1010 раз. Примерно в таком же соотношении друг к другу находятся кинетические энергии дождевой капли и огромного локомотива (рис. 2).
Рис. 2. Кинетическая энергия дождевой капли и мчащегося локомотива относятся друг к другу, как 1 : 1010
Казалось бы, смертельная опасность грозит всем видам жизни со стороны космического излучения и никакой живой организм не в состоянии от неё защититься. Мы ускользаем от этой опасности только потому, что число частиц, падающих на единицу поверхности, очень незначительно. На уровне моря на площади 1 см2 за 1 сек регистрируется только одна частица. Если она и разрушит кое-где одну оболочку ядра или изменит структуру одного единственного гена, несущего наследственную информацию, то организм без сколько-нибудь заметного вреда для себя перенесёт этот маленький урон.
Как мы уже говорили, первичные космические лучи, попадая в атмосферу Земли, сталкиваются с ядрами атмосферы, в основном кислорода и азота. Каждое столкновение приводит к разрушению столкнувшихся ядер, носящему характер взрыва. Обломки, которые с огромной силой разлетаются во все стороны, со своей стороны снова при этом вызывают различные эффекты (рис. 3).
Рис. 3. Распад (расщепление) атомного ядра при столкновении с протоном космического излучения
Самое важное при этом — что во вторичном излучении возникает большое число элементарных частиц, которые полностью отсутствуют в первичном излучении: легкие частицы (электроны и позитроны), тяжёлые (например, различные виды так называемых мезонов) и наконец сверхтяжёлые частицы, иногда превышающие массу электронов в 2000 раз. Многие из них удалось получить в последние годы в громадных установках, используемых в ядерной физике, и, таким образом, они стали непосредственным объектом физического эксперимента.
То, что регистрируется на поверхности Земли, это, конечно, по большей части не сами космические лучи, а результат их взаимодействия с атомами воздуха. Из тысячи протонов, которые вторгаются в атмосферу, только один может иногда достичь земной поверхности.