Promieniowanie kosmiczne.pdf

(1680 KB) Pobierz

WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI

POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ

studia doktoranckie

Metody Fizyki Jądrowej w Środowisku, Przemyśle i Medycynie

Promieniowanie kosmiczne

(pochodzenie, skład, oddziaływanie w atmosferze, intensywność w funkcji miejsca i

czasu oraz w relacji z innymi źródłami promieniowania, zagrożenie dla człowieka)

Prowadzący:

Prof. dr hab. Jan Pluta

Warszawa

Wykonała:

Ilona Pietucha

2004

1. ODKRYCIE PROMIENIOWANIA POZAZIEMSKIEGO

Pod koniec XIX wieku podstawowym przyrządem służącym do pomiaru ładunku

elektrostatycznego był elektroskop. Problemem, który w owym czasie intrygował badaczy,

były straty ładunku elektrycznego, jakich doznaje doskonale odizolowany elektroskop

umieszczony wewnątrz osłony metalowej. W wyniku badań przeprowadzonych z

wykorzystaniem komory jonizacyjnej C.T.R. Wilson stwierdził, że w ciągu 1 sekundy w 1

powietrza tworzy się około 20 par jonów. Za przyczynę tego stanu rzeczy uważano

obecne w atmosferze promieniowanie jonizujące powietrze. E. Rutherford i H.L.Cooke

stwierdzili, że nakładając dodatkowe ekrany metalowe na osłonę, pod którą umieszczono

elektroskop, straty elektryczności na jego listkach mogą zostać zredukowane o około 30%, co

stanowiło kolejny dowód na istnienie tego promieniowania.

Elektroskop i komora jonizacyjna

(źródło: John A. Simpson, The Cosmic Radiation)

Początkowo uważano, że jego źródłem są pierwiastki promieniotwórcze w atmosferze i

skorupie ziemskiej, wysyłające promieniowanie gamma, niezwykle przenikliwe i wykazujące

zdolność jonizowania powietrza. Dlatego też panowało przekonanie, że promieniowanie to

najsilniejsze jest w warstwach atmosfery najbliższych powierzchni ziemi i maleje ze

wzrostem wysokości, czego dowodem miał być eksperyment Th. Wulfa, który umieścił na

wieży Eiffla czuły elektroskop i komorę jonizacyjną oraz Gockela, który wzniósł się balonem

na wysokość 4500 metrów i z wykorzystaniem tej samej aparatury dokonał pomiaru

promieniowania.

Badania Wulfa stały się punktem wyjścia teorii Victora Hessa, według której w atmosferze

występuje nieznane dotychczas źródło jonizacji. Aby potwierdzić swoje przypuszczenia,

podczas licznych lotów balonem Hess dokonał pomiarów natężenia promieniowania ze

wzrostem wysokości z wykorzystaniem odpowiednio zmodyfikowanych przyrządów użytych

wcześniej przez Wulfa. Stwierdził, że rzeczywiście jonizacja początkowo spada, ale

poczynając od wysokości ok. 1800 metrów zaczyna gwałtownie rosnąć, bez względu na porę

pomiaru. Na podstawie tych obserwacji uznał, że przyczyną wzrostu jest promieniowanie

pochodzące spoza Ziemi, nazwane następnie „promieniowaniem kosmicznym”.

Victor Hess po lądowaniu

(John A. Simpson, The Cosmic Radiation)

W roku 1913 wyniki uzyskane przez Hessa potwierdził W. Kohlhörster, który dokonał

pomiarów promieniowania na wysokości 9000 metrów.

W roku 1922 R.A. Millikan i I.S. Bowen przeprowadzili dalsze badania przy wykorzystaniu

lekkich i precyzyjnych elektroskopów przyczepionych do balonów, które wzniosły się na

wysokość od 11,2 do 15,5 kilometrów. Z kolei w 1926 roku Millikan z G.H. Cameronem

dokonali pomiaru natężenia promieniowania w jeziorach wysokogórskich; na podstawie

współczynników pochłaniania i różnic jego poziomu w zależności od wysokości stwierdzili,

że promieniowanie to tworzą pochodzące z Kosmosu promienie gamma o wysokiej energii.

W 1927 roku Dymitr Skobelzyn zaobserwował ślady cząstek naładowanych w komorze

Wilsona umieszczonej w silnym polu magnetycznym. Z analizy ich zachowania wynikało, ze

ich energia jest rzeczywiście większa od energii, jaką mogłyby posiadać cząstki z substancji

promieniotwórczych.

Ślady cząstek promieniowania kosmicznego widoczne w komorze Wilsona

(http://auger.ifj.edu.pl/Historias/Historias1.htm)

1.1. Dalszy rozwój badań nad własnościami promieniowania kosmicznego

W dalszych badaniach skupiono się na zależności natężenia promieniowania kosmicznego od

szerokości geomagnetycznej. Ich celem było wykazanie, czy cząstki wchodzące w jego skład

posiadają ładunek elektryczny, czy też są neutralne. Aby to stwierdzić, należało zbadać ich

zachowanie w ziemskim polu magnetycznym; naładowane cząstki kierowałyby się w stronę

wyższych szerokości geograficznych. W 1927 roku J. Clay przy wykorzystaniu detektorów

jonizacji umieszczonych na statkach podróżujących po obszarach o różnych szerokościach

geograficznych potwierdził występowanie tej zależności. W 1932 roku A.H. Compton swoim

badaniem objął całą Ziemię, dzieląc ją na dziewięć stref, do których wysłał grupy badawcze

wyposażone w identyczne komory jonizacyjne. Wyniki pomiarów ponownie wykazały

istnienie związku między intensywnością promieniowania a szerokością geograficzną.

Dodatkowym dowodem na potwierdzenie tezy, że promienie kosmiczne zawierają cząstki

posiadające ładunek elektryczny, były badania przeprowadzone przez W. Bothe i W.

Kohlhörstera, którzy wykorzystali w tym celu liczniki GeigeraMüllera zestawione jeden nad

drugim tak, by cząstka lecąca z góry mogła przenikać przez nie wszystkie, i połączone z

elektroskopami; cząstki naładowane powodowały odchylenia ich nici, rejestrowane na szybko

poruszającej się taśmie fotograficznej. W 1932 roku obserwując ślady promieniowania

kosmicznego Carl Anderson odkrył antymaterię w postaci antyelektronu, nazwanego później

pozytonem, a pięć lat później wraz z Sethem Neddermeyerem – nową elementarną cząstkę,

nazwaną mezonem µ (mionem). Obie te cząstki były lżejsze od atomu, a odkrycie ich dało

początek nowej dziedzinie fizyki – fizyce cząstek elementarnych. W roku 1947 Rochester i

Butler odkryli w promieniowaniu kosmicznym cząstki o masie większej niż masa protonu.

Cząstki te zostały nazwane hiperonami i są oznaczone literami Λ, Σ, Ξ. Badania nad

oddziaływaniem promieniowania kosmicznego z materią dostarczyły bardzo dużo

wiadomości o budowie jądra i wykazały istnienie wielu nowych cząstek, jak mezony czy

neutrino. Promienie kosmiczne jeszcze nie raz okazały swą przydatność w fizyce, pozwalając

w czasach przedakceleratorowych na odkrycie wielu krótkożyjących cząstek elementarnych.

Obecnie największą zagadkę dla badaczy stanowią promienie o wysokich energiach.

Widmo

energetyczne jest dość dobrze znane do energii około 10

eV. Dla wyższych energii danych

jest bardzo mało i powyżej 10

eV praktycznie badacze nie posiadają już żadnych informacji

o kształcie tego rozkładu.

Nieznane są źródła promieni kosmicznych skrajnie wysokich energii. Jest możliwe, że cząstki

o najwyższych energiach zawierają tajemnicę początku Wszechświata związaną z tajemnicą

pochodzenia ich ogromnych energii, wiele milionów razy większą, niż potrafi wytworzyć

jakikolwiek ziemski akcelerator. Najbardziej prawdopodobnymi kandydatami na źródła

promieni kosmicznych skrajnie wysokich energii są bardzo potężne radiogalaktyki. Są to duże

galaktyki, często bardzo od nas odległe, które oprócz światła widzialnego emitują fale

Promieniowanie kosmiczne.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: