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宇宙射线

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【简介】编辑本段回目录

所谓宇宙射线,指的是来自于宇宙中的一种具有相当大能量的带电粒子流。1912年,德国科学家韦克多宇宙射线·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中,发现电离室内的电流随海拔升高而变大,从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的,于是有人为之取名为“宇宙射线”。

【发现】编辑本段回目录

1912年,德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中,发现电离室内的电流随海拔升高而变大,从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的,于是有人为之取名为“宇宙射线”。

【形成】编辑本段回目录

宇宙射线(cosmic ray)一般指约在46亿年前刚从太阳星云形成的地球。初生的地球,固体物质聚集成内核,外周那时,由于地球质量还不够大,还缺乏足够的引力将大气吸住,又有强烈的太阳风(是太阳因高温膨胀而不断向外抛出的粒子流,在太阳附近的速度约为每秒350~450公里),所以以氢、氦为主的第一代大气很快就被吹到宇宙空间。地球在继续旋转和聚集的宇宙射线过程中,由于本身的凝聚收缩和内部放射性物质(如铀、钍等)的蜕变生热,原始地球不断增温,其内部甚至达到炽热的程度。于是重物质就沉向内部,形成地核和地幔,较轻的物质则分布在表面,形成地壳。
初形成的地壳比较薄弱,而地球内部温度又很高,因此火山活动频繁,从火山喷出的许多气体,构成了第二代大气即原始大气。原始大气是无游离氧的还原性大气,大多以化合物的形式存在,分子量大一些,运动也慢一些,而此时地球的质量和引力已足以吸住大气,所以原始大气的各种成分不易逃逸。以后,地球外表温度逐渐降低,水蒸汽凝结成雨,落到地球表面低凹的地方,便成了河、湖和原始海洋。当时由于大气中无游离氧(O2),因而高空中也没有臭氧(O3)层来阻挡和吸收太阳辐射的紫外线,所以紫外线能直射到地球表面,成为合成有机物的能源。此外,天空放电、火山爆发所放出的热量,宇宙间的宇宙射线(来自宇宙空间的高能粒子流,其来源目前还不了解)以及陨星穿过大气层时所引起的冲击波(会产生摄氏几千度到几万度的高温)等,也都有助于有机物的合成。但其中天空放电可能是最重要的,因为这种能源所提供的能量较多,又在靠近海洋表面的地方释放,在那里作用于还原性大气所合成的有机物,很容易被冲淋到原始海洋之中。宇宙射线产生 太阳系是在圆盘状的银河系中运行的,运行过程中会发生相对于银河系中心位置的位移,每隔6200万年就会到达距离银河系中心的最远点。而整个“银河盘”又是在包裹着它的热气体中以每秒200公里的速度运行。“银河盘并不像飞盘那样圆滑,”科学家称,“它是扁平的。”当银河系的“北面”或前面与周围的热气磨擦时就会产生宇宙射线。

【研究】编辑本段回目录

出于对宇宙射线研究的重视,世界各国纷纷投入资金与设备对其展开研究。前苏联、日本、中国、美国、法国等国家相继建立了宇宙射线观测站。虽然宇宙射线的起源尚无定论,但科学家们仍然逐步了解了宇宙射线的种种特性,以及对地球和人类环境的影响。我们知道,宇宙线主要是由质子、氦核、铁核等裸原子核组成的高能粒子流;也含有中性的珈玛射线和能穿过地球的中微子流。它们在星系际银河和太阳磁场中得到加速和调制,其中一些最终穿过大气层到达地球。人类对宇宙射线作微观世界的研究过程中采用的观测方式主要有三种,即:空间观测、地面观测、地下(或水下)观测。 为了有效和长期对宇宙射线进行观测,各国都相继建立了观测站。1943年,前苏联在亚美尼亚建立了海拔3200米的阿拉嘎兹高山站;日本在战后建立了海拔2770米的乘鞍山观测所;1954年我国建立了海拔3200米的云南东川站。1990年,中日双方共同合作建立了西藏羊八井宇宙射线观测站。几乎所有外来的高能宇宙线,除中微子外在穿过大气层时都要与大气中的氧、氮等原子核发生碰撞,并转化出次级宇宙线粒子,而超高能宇宙线的次级粒子又将有足够能量产生下一代粒子,如此下去,将会产生一个庞大的粒子群;这一现象是1938年由法国人奥吉尔在阿尔卑斯山观测发现的,并取名为“广延大宇宙射线簇射”。 在广延大气簇射过程中,能量低于10的14次方电子伏特的粒子很难到达3000米以下的低空,而是在4000米处超高能粒子群发展到极大。由于西藏羊八井地处海拔4300米,终年无积雪,地势平坦开阔,在能源、交通及生活上都具有便利条件,科研人员可在此进行长年不间断观测。 以羊八井的闪烁体探测器为例,当粒子穿过闪烁体时在其中损失能量使闪烁体发生荧光,这一束闪光经过光阴极转换和光电倍增管放大后变为一个电脉冲信号。这个信号经过电缆被送到电子学记录系统,由磁带进行全年不间断记录。同时我们可以想到,如果我们在单位面积上安装的闪烁体越多、密度越大;所接收的射线粒子也越多,记录就更精密。除闪烁体探测器以外,羊八井站建成的宇宙射线采集方式还有:80平米乳胶室和地方性簇射探测器;中子堆中中子望远镜;试验型50平米RPC地毯式探测器。 宇宙射线还存在着转化、簇射的过程。除中微子外,几乎所有的高能宇宙射线,在穿过大气层时都要与大气中的氧、氮等原子核发生碰撞,并转化出次级宇宙线粒子,而超高能宇宙线的次级粒子又将有足够能量产生下一代粒子,如此下去,一级一级的转化,将会产生一个庞大的粒子群。1938年,法国人奥吉尔在阿尔卑斯山观测发现了这一现象,并将其命名为“广延大气簇射”。

【影响】编辑本段回目录

虽然当宇宙射线到达地球的时候,会有大气层来阻挡住部分的辐射,但射线流的强度依然很大,很可能对空中交通产生一定程度的影响。比方说,现代飞机上所使用的控制系统和导航系统均有相当敏感的微电路组成。一旦在高空遭到带电粒子的攻击,就有可能失效,给飞机的飞行带来相当大的麻烦威胁。 还有科学家认为,长期以来普遍受到国际社会关注的全球变暖问题很有可能也与宇宙射线有直接关系。这种观点认为,温室效应可能并非全球变暖的惟一罪魁祸首,宇宙射线有可能通过改变低层大气中形成云层的方式来促使地球变暖。这些科学家的研究认为,宇宙射线水平的变化可能是解释这一疑难问题的关键所在。他们指出,由于来自外层空间的高能粒子将原子中的电子轰击出来,形成的带电离子可以引起水滴的凝结,从而可增加云层的生长。也就是说,当宇宙射线较少时,意味着产生的云层就少,这样,太阳就可以直接加热地球表面。对过去20年太阳活动和它的放射性强度的观测数据支持这种新的观点,即太阳活动变得更剧烈时,低空云层的覆盖面就减少。这是因为从太阳射出的低能量带电粒子(即太阳风)可使宇宙射线偏转,随着太阳活动加剧,太阳风也增强,从而使到达地球的宇宙射线较少,因此形成的云层就少。此外,在高层空间,如果宇宙射线产生的带电粒子浓度很高,这些带电离子就有可能相互碰撞,从而重新结合成中性粒子。但在低空的带电离子,保持的时间相对较长,因此足以引起新的云层形成。 此外,几位美国科学家还认为,宇宙射线很有可能与生物物种的灭绝与出现有关。他们认为,某一阶段突然增强的宇宙射线很有可能破坏地球的臭氧层,并且增加地球环境的放射性,导致物种的变异乃至于灭绝。另一方面,这些射线又有可能促使新的物种产生突变,从而产生出全新的一代。这种理论同时指出,某些生活在岩洞、海底或者地表以下的生物正是由于可以逃过大部分的辐射才因此没有灭绝。从这种观点来看,宇宙射线倒还真是名副其实的“宇宙飞弹”。  

【意义】编辑本段回目录

今天,人类仍然不能准确说出宇宙射线是由什么地方产生的,但普遍认为它们可能来自超新星爆发、来自遥远的活动星系;它们无偿地为地球带来了日地空间环境的宝贵信息。科学家希望接收这些射线来观测和研究它们的起源和宇观环境中的微观变幻。 宇宙射线的研究已逐渐成为了天体物理学研究的一个重要领域,许多科学家都试图解开宇宙射线之谜。可是一直到现在,人们都并没有完全了解宇宙射线的起源。一般的认为,宇宙射线的产生可能与超新星爆发有关。对此,一部分科学家认为,宇宙射线产生于超新星大爆发的时刻,“死亡”的恒星在爆发之时放射出大能量的带电粒子流,射向宇宙空间;另一种说法则认为宇宙射线来自于爆发之后超新星的残骸。 不管最终的定论将会如何,科学家们总是把极大的热情投入到宇宙射线的研究中去。关于为什么要研究宇宙射线,罗杰·柯莱在其著作《宇宙飞弹》作出了精辟的阐释: “宇宙射线的研究已变成天体物理学的重要领域。尽管宇宙射线的起源至今未能确定, 人们 已普遍认为对宇宙射线的研究能获得宇宙绝大部分奇特环境中有关过程的大量信息:射电星系、类星体以及围绕中子星和黑洞由流入物质形成的沸腾转动的吸积盘的知识。我们对这些天体物理学客体的理解还很粗浅,当今宇宙射线研究的主要推动力是渴望了解大自然为什么在这些 天体上能产生如此超常能量的粒子。”

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