Космические лучи
1. Космические лучи(КЛ) – это поток заряженных частиц высокой энергии, приходящих к поверхности Земли приблизительно изотропно со всех направлений космического пространства. Различают первичные и вторичные космические лучи.
Первичные КЛ приходят на Землю из космоса. Они включают в себя галактические КЛ, приходящие из галактического пространства, и солнечные КЛ, рождающиеся на Солнце во время вспышек.
ВторичныеКЛ рождаются в земной атмосфере. Они образуются при взаимодействии первичных КЛ с атомами вещества атмосферы.
Открытие КЛ связано с изучением электропроводности воздуха. В начале ХХ в. было надежно установлено, что сухой воздух, содержащийся даже в герметичном сосуде, всегда ионизирован. После открытия естественной радиоактивности стало ясно, что источник ионизации находится вне сосуда, содержащего воздух, и представляет собой радиоактивное излучение горных пород. Значит, с увеличением высоты ионизация воздуха должна уменьшатся.
В 1912 г. австриец Виктор Гесс поднялся на воздушном шаре, имея электроскоп в герметично закрытом сосуде, давление воздуха в котором оставалось постоянным. Он обнаружил, что при подъеме на первые 600 м ионизация воздуха убывала. Но, начиная с 600 м, она стала возрастать, чем выше, тем быстрее. На высоте 4800 м концентрация ионов стала в 4 раза больше, чем на уровне моря. Поэтому Гесс предположил, что на границу земной атмосферы из мирового пространства падает ионизирующее излучение очень большой проникающей способности.
Позднее опыты проводились с шарами-зондами. Оказалось, что на высоте 8400 м ионизация в 10 раз больше, чем на уровне моря. На высоте 20 км она достигает максимума, а с дальнейшим подъемом начинает уменьшаться. Это объясняется тем, что на высоте 20 км в результате взаимодействия с атмосферой первичных КЛ создается наибольшая концентрация вторичных ионизирующих частиц.
2. Первичные космические лучи (ПКЛ). Рассмотрим энергетический спектр, состав, пробег и механизм ускорения частиц в ПКЛ.
а. Энергия ПКЛ очень велика. У большинства частиц она превышает 10 ГэВ. Поэтому основная задача при детектировании частиц ПКЛ состоит в том, чтобы частицы затормозились в пределах детектора. Только в этом случае можно измерить их полную энергию.
Впервые энергетический спектр ПКЛ удалось непосредственно измерить на спутниках серии «Протон» в 1965-69 гг. Позднее эти измерения повторялись на спутниках Луны и Марса за пределами магнитного поля Земли. Энергия частиц ПКЛ измерялась с помощью ионизационного калориметра. Прибор представляет собой систему из слоев ядерных мишеней, фотопластинок и счетчиков (рис.165). Взаимодействуя с ядрами мишени (тяжелый металл), космическая частица генерирует поток жестких g -квантов. В слоях свинца эти g - кванты порождают мощные лавины ионизирующих частиц, которые регистрируются в фотоэмульсиях и счетчиках. Если толщина слоев калориметра велика и все частицы лавины остаются в нем, то по их числу можно определить энергию первичной космической частицы. Ионизационные калориметры имеют объем до нескольких куб. метров и массу до 20 тонн.
На рис.166 показана зависимость интенсивности I потока частиц ПКЛ от их энергии Е в билогарифмическом масштабе. Интенсивность I выражена числом частиц, приходящихся на 1 м2 земной поверхности из телесного угла 1 ср в 1 с. Энергия Е указана в гигаэлектронвольтах (1 ГэВ = 109 В).
В интервале энергий Е от 10 до 106 ГэВ энергетический спектр описывается эмпирической формулой 
(25.1)
где А = 1018 частиц/м2×ср×с, g = 1,6.
Суммарный поток ПКЛ равен примерно 104 частиц/м2.ср.с. Максимальная энергия ПКЛ доходит до 1011 ГэВ. Это значит, что ПКЛ является уникальным источником сверхвысоких энергий, так как максимальная энергия, полученная на ускорителях, не превышает 105 ГэВ. Но частиц с энергией Е > 106 ГэВ очень мало. На площадь 1 м2 приходится в среднем одна такая частица в год.
Энергия ПКЛ имеет нетепловое происхождение. Так, внутри звезд средняя энергия частиц равна Еср = 3kTç2 = 3×1,4×10–23×109ç2 = 2,1×10–14 Дж » 0,1 МэВ. А средняя энергия частиц ПКЛ около Земли составляет 100 МэВ, то есть в 1000 раз больше. Значит, космические частицы разгоняются в каких-то астрофизических процессах электромагнитной природы.
б. Состав ПКЛ. Первичное космическое излучение в месте нахождения Солнечной системы изотропно по направлению и постоянно по времени. По составу ПКЛ подразделяется на следующие группы (табл.25.4).