Космические лучи

Открытие, классификация и этапы исследования космических лучей. Ядерно-активная компонента космических лучей и множественная генерация частиц. Космические мюоны и нейтрино. Проникающая компонента вторичного излучения. Область модуляционных эффектов.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Дагестанский государственный университет

Физический факультет

Курсовая работа

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

Алиева Джабраила Магомед-Валиевича

Научный руководитель:

д.ф.-м.н., профессор

Джамалова А.С.

Зав. кафедрой физической электроники

д.ф.-м.н., профессор

Омаров О.А.

Махачкала - 2013г.



Введение

Земля постоянно бомбардируется заряженными частицами высокой энергии, приходящими из межзвёздного пространства - Космические лучи. Иногда интенсивность Космических лучей резко возрастает за счёт потоков частиц, порождаемых вспышками на Солнце. Космические лучи напоминают сильно разреженный релятивистский газ, частицы которого практически не взаимодействуют друг с другом, но испытывают редкие столкновения с веществом межзвёздной и межпланетной сред и воздействие космических магнитных полей. В составе космических лучей преобладают протоны, имеются также электроны, ядра гелия и более тяжёлых элементов (вплоть до ядер элементов с 30). Электронов в К. л. в сотни раз меньше, чем протонов (в одном и том же диапазоне энергий). Частицы космических лучей обладают огромными кинетическими энергиями (вплоть до эВ). Хотя суммарный поток К. л. у Земли невелик [всего 1 частица/(см2с)], плотность их энергии (ок. 1 эВ/см3) сравнима (в пределах нашей Галактики) с плотностью энергии суммарного электромагнагнитные излучения звёзд, энергии теплового движения межзвёздного газа и кинетической энергии его турбулентных движений, а также с плотностью энергии магнитного поля Галактики. Отсюда следует, что космические лучи должны играть большую роль в процессах, идущих в межзвёздном пространстве.

Другая важная особенность космических лучей - нетепловое происхождение их энергии. Действительно, даже при темп-ре ~ 109 К, по-видимому, близкой к максимальной для звёздных недр, средняя энергия теплового движения частиц эВ. Основное же количество частиц Космических лучей, наблюдаемых у Земли, имеет энергии от 108 эВ и выше. Это означает, что Космические лучи приобретают энергию в специфических астрофизических процессах электромагнитной и плазменной природы.



Глава 1. Космические лучи

Изучение Космических лучей даёт ценные сведения об электромагнитных полях в различных областях космического пространства. Информация, "записанная" и "переносимая" частицами Космических лучей на их пути к Земле, расшифровывается при исследовании вариаций космических лучей - пространственно-временных изменений потока Космических лучей под влиянием динамических электромагнитных и плазменных процессов в межзвёздном и околоземном пространстве.

Рис. 1. Схема взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли. Первичное ядро высокой энергии р (обычно протон) разрушает ядра атмосферного азота или кислорода и порождает каскад вторичных частиц, поток которых условно разделяют на три компонента: электронно-фотонный (1), мю-мезонный (2) и нуклонный (3)

Космические лучи поток частиц высокой энергии, преимущественно протонов, приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное ими в атмосфере Земли в результате взаимодействия с атомными ядрами вторичное излучение, в котором встречаются практически все известные элементарные частицы.

К. л. -- уникальный природный источник частиц высоких и сверхвысоких энергий, позволяющих изучать процессы превращения элементарных частиц и их структуру. Наряду с этим К. л. дают возможность обнаруживать и изучать астрофизические процессы большого масштаба, связанные с ускорением и распространением частиц космического излучения в межпланетной, межзвёздной, а возможно, и в межгалактической среде.

Большинство частиц первичного космического излучения имеет энергию больше 109 эв (1 Гэв), а энергия отдельных частиц достигает 1020--1021 эв (а может быть, и выше). До создания мощных ускорителей заряженных частиц Космических лучей были единственным источником частиц высоких энергий. В К. л. были впервые обнаружены многие неизвестные ранее элементарные частицы и получены первые данные об их распадах и взаимодействиях с атомными ядрами. Хотя современные ускорители (в особенности ускорители на встречных пучках) позволяют проводить тщательное изучение процессов взаимодействия частиц вплоть до энергий 1011--1012 эв, К. л. по-прежнему являются единственным источником сведений о взаимодействиях частиц при ещё более высоких энергиях.

Подавляющая часть первичных К. л. приходит к Земле извне Солнечной системы -- из окружающего её галактического пространства (Галактики), т. н. галактические К. л., и лишь небольшая их часть, преимущественно умеренных энергий (<1 Гэв), связана с активностью Солнца, т. н. солнечные К. л. Однако в периоды высокой солнечной активности могут происходить кратковременные сильные возрастания потоков солнечных К. л. в межпланетном пространстве. Частицы самых высоких энергий (>1017эв) имеют, возможно, внегалактическое происхождение (приходят из Метагалактики).

Общий поток энергии, приносимой К. л. на Землю (Космические лучи0,01 эрг на 1 см2 в 1 сек), чрезвычайно мал по сравнению с излучаемым на Землю потоком солнечной энергии и сравним с энергией видимого излучения звёзд. Однако не исключено, что в далёком прошлом К. л. сыграли определённую роль в ускорении эволюции жизни на Земле.

В масштабах всей Галактики средняя плотность энергии К. л. велика (Космические лучи 1 эв/см3) -- порядка плотностей всех других видов энергии: энергии тяготения (гравитации), магнитных полей, кинетической энергии движения межзвёздного газа, энергии электромагнитного излучения звёзд. Поэтому К. л. могут оказывать заметное влияние на эволюцию Галактики в целом.

В физике К. л. четко выделяются 2 основных направления исследований: ядерно-физическое (взаимодействие К. л. с веществом; генерация, свойства и взаимодействия элементарных частиц) и космо-физическое (состав и энергетический спектр первичных К. л.; генерация и распространение солнечных и галактических К. л.; изменение во времени интенсивности К. л. и взаимодействие К. л. с магнитосферой Земли), с солнечным ветром и ударными волнами в межпланетном пространстве и др.). По мере развития техники ускорителей область исследований на первом направлении постепенно сдвигается в сторону высоких энергий. Всё более глубокое изучение ближнего космоса прямыми методами с помощью спутников и космических ракет перемещает центр тяжести второго направления на более далёкие космические объекты. Поэтому научные результаты, получаемые с помощью К. л., носят, как правило, разведывательный, первооткрывательский, характер и имеют фундаментальное значение как для развития физики микромира (в области характерных размеров ?10-13 см), так и для развития физики космоса (108--1028 см).



1.1 Открытие и основные этапы исследования космических лучей

Существование Космических лучей было установлено в 1912 В. Гессом по производимой ими ионизации молекул воздуха; возрастание ионизации с высотой доказывало их внеземное происхождение. Наблюдения следов частиц К. л. в Вильсона камере помещенной в поле лабораторного магнита (Д. В. Скобельцын, 1927), и отклонения их в магнитном поле Земли с помощью газоразрядных счётчиков, поднимаемых в стратосферу на баллонах (С. Н. Вернов и Р. Милликен, 1935--37), доказали, что первичные К. л. представляют собой поток заряженных частиц, в основном протонов (ядер атомов водорода). При этом были измерены и энергии большей части К. л. (до 15 Гэв). С помощью ядерных фотографических эмульсий , поднятых на высоту Космические лучи 30 км (Б. Питерс и др., 1948), в составе первичных К. л. были обнаружены следы ядер более тяжёлых элементов, чем водород, вплоть до ядер железа (рис. 1).

Детальное изучение зарядов и масс частиц вторичных К. л. привело к открытию многих новых элементарных частиц, в частности Позитрона, мюона, пи-мезона, К-мезона (, Л-гиперона (1932--49). В 1932 П. Блэкетт и Дж. Оккиалини впервые обнаружили в камере Вильсона группы близких по направлению генетически связанных частиц космического излучения -- т. н. ливни. В опытах 1945--49 на высокогорных станциях К. л. (В. И. Векслер, Н. А. Добротин и др.) и в стратосфере (С. Н. Вернов и др.) было установлено, что вторичное космическое излучение образуется в результате взаимодействия первичных К. л. с ядрами атомов воздуха. Позднее Г. Т. Зацепин показал, что тот же механизм, но при более высоких энергиях (?1014 эв) объясняет развитие открытых ранее в К. л. (П. Оже, 1938) широких атмосферных ливней -- потоков из многих миллионов частиц, покрывающих на уровне моря площади порядка 1 км2 и более.

Для правильного подхода к проблеме происхождения К. л. большую роль сыграли успехи радиоастрономии. Связанное с К. л. нетепловое космическое радиоизлучение позволило обнаружить их возможные источники. В 1955 В. Л. Гинзбург и И. С. Шкловский на основе радио-астрономических наблюдений и энергетических оценок впервые количественно обосновали гипотезу о сверхновых звёздах как одном из основных галактических источников К. л.

Базой для космофизического направления исследований явилась созданная в 50--60-е гг. обширная мировая сеть станций К. л. (свыше 150), на которых проводится непрерывная регистрация космического излучения. Многие станции находятся вы...