Физика атома атомного ядра и элементарных частиц 52

Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц 52. (1). Космические лучи.

Первичные и вторичные космические лучи Космическое пространство заполнено стабильными микрочастицами: протонами, альфа-частицами, ядрами других элементов, а также электронами и позитронами с энергиями от 10 Мэв до 1020 эв и выше. Эти частицы называются первичными космическими лучами. Попадая в атмосферу Земли, первичные лучи вступают в многочисленные ядерные реакции, в результате которых образуются нейтроны, стабильные и нестабильные ядра, мюоны, пи-мезоны, гамма-кванты и другие частицы. Они называются вторичными космическими лучами.

Энергетический спектр первичных космических лучей

На начальном этапе развития ядерной физики, когда еще не было ускорителей, многие принципиально важные открытия были сделаны при исследовании космических лучей. В частности, в космических лучах в 1932 году был обнаружен позитрон, в 1937 году мюоны, в 1947 году пи-мезоны. В настоящее время в связи с созданием ускорителей роль космических лучей в ядерных исследованиях уменьшилась, но и в настоящее время космические лучи - единственный источник частиц сверхвысоких энергий. Например, монополь Дирака, масса которого по оценкам должна быть ок. 1016 Гэв, сегодня может быть найден только в космических лучах.

Солнечный ветер Солнце постоянно испускает со своей поверхности потоки плазмы. Над поверхностью Солнца имеется сильно нагретая область (температура ок. 106 К), которая называется солнечной короной, состоящая из разреженной полностью ионизованной плазмы (в основном протонов и электронов). Эта плазма постоянно расширяется в межпланетное пространство в виде солнечного ветра. Земля постоянно находится в этом плазменном потоке; вблизи орбиты Земли скорость солнечного ветра составляет примерно 400 - 500 км/с, а концентрация - примерно 6 -8 электронно-протонных пар в 1 см 3. Во время солнечных вспышек этот поток возрастает в десятки раз.

Магнитное поле Земли оказывает влияние на движение первичных космических лучей и солнечного ветра. Магнитные силовые линии сгущаются в области высоких широт, создавая в околоземном прост- Примерный вид магнитного поля Земли. Геомагнитный ранстве конфигураполюс Земли смещен отноцию магнитной лосительно географического вушки с пробками полюса примерно на 11 о. вблизи полюсов.

Магнитосфера Земли Схема магнитосферы Земли в меридиональном сечении изображена на рисунке. Магнитосфера несимметрична: на дневной стороне она под действием солнечного ветра сжата, а на ночной растянута. На дневной стороне магнитосфера ограничена поверхностью, на которой давление потока частиц солнечного ветра уравновешивается магнитным давлением. Эта поверхность называется фронтом стоячей ударной волны. На ночной стороне магнитосфера вытягивается в виде хвоста магнитосферы, который уходит на расстояния, превышающие радиус орбиты Луны.

Радиационные пояса Земли Те частицы, которые проникают внутрь магнитосферы, захватываются магнитным полем в ловушки, образуя так называемые радиаионные пояса Земли. Радиационные пояса были открыты в 1958 г при полетах первых искусственных спутников Земли. В настоящее время строение и состав этих поясов изучены достаточно хорошо. В этих ловушках частицы длительное время движутся с севера на юг и обратно, вращаясь вокруг силовых линий и периодически отражаясь от магнитных пробок вблизи полюсов. Траектория частицы представляет собой винтовую линию с переменными значениями радиуса и шага вокруг силовой линии магнитного поля Земли.

Расположение радиационных поясов Земли. Цифры дают интенсивность радиации в относительных единицах. Радиационных поясов два: внутренний и внешний. Внутренний пояс занимает пространство примерно от 1000 до 4500 км, а внешний примерно от 12000 до 36000 км над экватором (считая от поверхности Земли). В точках отражения вблизи полюсов Земли частицы подходят к поверхности Земли значительно ближе: до 200 - 300 км.

Форма и характеристики внутреннего радиационного пояса довольно устойчивы, регулярно воспроизводятся при повторных исследованиях и нарушаются только во время сильных магнитных бурь. Внешний радиационный пояс менее устойчив и более расплывчат, его размеры и количество заряженных частиц в единице объема многократно возрастают во время магнитных бурь. Проникшие в магнито-сферу электроны задержива-ются, в основном, во внешнем поясе, а протоны - во внутрен-нем. Энергетический спектр частиц, захваченных в магнитные ловушки Земли, лежит в пределах от 100 кэв до 100 Мэв.

Радиоуглерод Под действием космических лучей в верхних слоях атмосферы происходят различные ядерные реакции, благодаря которым в атмосфере поддерживается некоторая (небольшая) концентрация радиоактивных изотопов 3 H 1, 14 C 6 и др. Например, радиоуглерод 14 C 6 образуется под действием вторичных нейтронов в реакции n + 14 N 7 → 14 C 6 + p. Далее углерод-14 в результате бета-распада (с периодом полураспада 5730 лет) снова превращается в азот-14.