II. Космічне випромінювання

Вже при перших дослідженнях радіоактивності було відмічено, що в іонізаційній камері спостерігається деякий незначний струм навіть у відсутність радіоактивних препаратів. Наявність цього струму доводила, що якесь випромінювання постійно створює в камері іонізацію, що отримала назву залишкової іонізації. Спочатку намагалися пояснити залишкову іонізацію домішками радіоактивних речовин в грунті і атмосфері. В цьому випадку залишкова іонізація повинна була б зменшуватися при видаленні іонізаційної камери від поверхні Землі. Проте досліди, в яких іонізаційні камери піднімалися на аеростатах на велику висоту, показали зворотний результат. На висоті 9 км. залишкова іонізація виявилася в 40 разів більшою, ніж на рівні Землі. Цей результат стає зрозумілим, якщо допустити, що випромінювання, що створює залишкову іонізацію, приходить на Землю ззовні і на своїй дорозі через атмосферу поступово поглинається в ній. Подальші досліди підтвердили позаземне походження випромінювання і показали також, що його інтенсивність слабо залежить від положення на піднебінні Сонця, Місяця і інших світил. Звідси витікало, що випромінювання випускається не яким-небудь окремим небесним тілом, а приходить рівномірно зі всіх напрямів світового простору. Зважаючи на це випромінюванню, що викликає залишкову іонізацію, було дано назву космічного випромінювання або космічних променів.

Природа космічного випромінювання виявилася вельми складною. Лише у пятдесятих роках, спираючись на результати багаточисельних досліджень, серед яких видне місце займають роботи школи радянського фізика Д.В. Ськобельцина, удалося скласти відоме уявлення про картину цього явища в цілому. По сучасних виставах первинне космічне випромінювання, тобто випромінювання, що приходить зі світових глибин в земну атмосферу, складається з швидко рухомих позитивно заряджених часток - протонів - і в меншому числі - б-часток і інших ядер. Енергія первинних часток космічного випромінювання величезна - вона вимірюється мільярдами еВ, а в деяких випадках доходить навіть до фантастичних значень 1021 еВ; при цьому чим: більше енергія частки, тим менше зустрічається таких часток в первинній компоненті. Відносно механізму прискорення, шляхом якого у Всесвіті утворюються частки такої величезної енергії, існує ряд припущень, дослідження яких продовжується.

З первинного космічного випромінювання лише мала доля доходить до поверхні Землі. Переважна частина первинних часток ще у верхніх шарах атмосфери стикається з ядрами атомів, що входять до складу повітря. Зважаючи на величезну енергію первинних часток такі зіткнення наводять до розщеплювання атомних ядер з випусканням швидких нейтронів, протонів і б-часток. Крім того, зіткнення часток великої енергії з ядрами супроводяться утворенням нових часток - різних мезонів і гіперонів. Залежно від вигляду гіперони перетворюються на мезон і нуклон (нейтрон або протон). Мезони перетворюються кінець кінцем на електрони, позитрони або г - кванти.

Отже, в результаті зіткнення швидкої первинної, частки з атомним ядром утворюється значна кількість вторинних часток меншої енергії - протонів, нейтронів, б-часток, різних гіперонів і мезонів, електронів, позитронів, г-квантов. Вторинні частки, просуваючись, в атмосфері, у свою чергу розмножуються за рахунок ядерних розщеплювань і інших процесів, прикладом яких служить утворення електронно-позитронних пар г-квантами.

Разом з розмноженням часток в атмосфері відбувається їх поглинання, аналогічно тому, як відбувається поглинання б-, в - і г - частиц при проходженні через речовину. У верхніх шарах атмосфери переважаючим процесом є розмноження, і число часток космічного випромінювання наростає аж до висоти ~20 км. над рівнем морить. Нижче за цей кордон головну роль грає поглинання, і інтенсивність випромінювання падає. Графік залежності інтенсивності космічного випромінювання від висоти приведена на рис.1.

Мал. 1. Залежність інтенсивності космічного випромінювання від висоти над рівнем моря.

На висотах вище 50 км. присутня лише первинна компонента космічного випромінювання, що приходить зі світового простору, і інтенсивність випромінювання не залежить від висоти. Нижче 50 км. інтенсивність спочатку збільшується за рахунок утворення вторинних часток, а потім падає за рахунок зростаючого поглинання в атмосфері.

По своєму походженню космічні промені можна розділити на декілька груп.

1) космічні промені галактичного походження. Джерелом галактичних космічних променів є наша Галактика, в якій відбувається прискорення часток до енергій ~1018 еВ.

2) космічні промені походження метагалактики, вони мають найбільші енергії, E>1018 еВ, утворюються в інших галактиках.

3) сонячні космічні промені, що генеруються на Сонці під час сонячних спалахів.

4) аномальні космічні промені, що утворюються в Сонячній системі на периферії геліомагнитосфери.