Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 185
Текст из файла (страница 185)
Ьолее тяжелых ядер (главным образом С, 51, 0) около 0,8% Одним из аргументов в пользу того, что тяжелые ядра принадлежат к первичным, а не к вторичным космическим лучам, может служить то обстоятельство, что заряды тяжелых ядер больше зарядов ядер атмосферных газов. Поэтому тяжелые ядра не могут возникать под действием первичных космических лучей. Средняя энергия, приходящаяся на один нуклон, приблизительно одинакова для всех ядер. Поэтому многозарядные ядра (те е. ядра с У ) 1) несут заметную долю (около 1/2) полной энергии первичных космических лучей. Наряду с протонами и ядрами в космических лучах содержится незначительное количество электронов и позитронов (около 1%) и 7-квантов (около 0,01% при энергиях, больших 100 МэВ).
Несомненно, имеются и нейтрино, но при настоящем уровне науки нет способов их детектировать в космических лучах. Присутствие мезонов и нейтронов в первичных космических лучах исключено, поскольку эти частицы нестабильны и должны распадаться на пути к Земле. 6. В последних двух сголбцах табл. 22 сравнивается среднее относительное содержание различных частиц в космических лучах с естественным содержанием их во Вселенной, полученным из данных о составе земной коры, метеоритов, атмосферы Солнца и звезд. В космических лучах значительно больше «очснь тяжелыхи и «самых тяжелых» ядер,чем в среднем во Вселенной.
В особенности такое преобладание наблюдается для ядер группы Ь, в которую входят литий, бериллий 8 1оз) Космические лу «и. 723 Таблица 22 Состав космических лучей с энергиями, большими 2,5 Гэв на нуклон Заряд~ ядра Число ядер на Число частиц ~ 10 тыс. протонов и с ср Средняя атомная масса Частицы, входящие в группу Груп- па в космиче- ских в среднем во Все- ленной лучах ! 2 ~ 4 3 — 5 , 10 6 — 9 ' 14 > 1О' ,31 >20 ' 51 Протоны Ядра гелия «Легкие» 1300 1ОООО 720 10 000 1600 1О-4 2,0 ядра «Средние» ядра 52 «Тяжелые» 2,0 Н 15 ядра «Очень тяжелые» ЧН 0,5 0,06 ядра > 30 ~ 100 «Самые тяжелые» ядра 10 ГΠ— 4 7. 10 ВН 1ОО Электроны и позитро- ны 1836 10 000 13 21620 1418 10900 и бор.
В космических лучах среднее относительное содержание ядер этой группы примерно в 100 тысяч раз больше, чем в среднем во Вселенной. Аномально высокое содержание в космических лучах ядер группы 1 по сравнению с их средним содержанием во Вселенной делает невероятным предположение, что эти ядра имеются н достаточных количествах уже и самих источниках космических лучей. Более вероятна гипогеза, что они образуются при столкновениях тяжелых космических частиц с ядрами межзвездного газа. При таких столкновениях тяжелые ядра могут расщепляться на части (процесс фрагментации), в результате чего и образуются ядра группы 1» Можно предположить, что зто оснонной и даже практически единственный способ образования в космических лучах указанных ядер.
Если эта гипотеза верна, то можно оценить, какой средний путь проходит космическая частица, (Гл. ХН Некоторые вопросы астро4ивики 724 порожденная источником, от места ее образования до Земли — вопрос, очень важный для решения проблемы происхождения первичных космических лучей. Для решения этого вопроса рассмотрим в космическом газе однородный параллельный пучок тяжелых космических частиц, т. е, частиц, масса которых больше массы ядер группы Ь. Направление распространения этого пучка примем за ось Х. При выходе из источника первоначально пучок состоит только из тяжелых частиц. Из-за столкновения их с ядрами галактического газа образуются легкие ядра группы Ь, благодаря чему интенсивность 1 рассматриваемого пучка тяжелых частиц будет убывагь.
Допустим, что это единственный механизм убывания интенсивности пучка. Обозначим через о среднее эффективное сечение столкновения тяжелой частицы с атомным ядром галактического газа и притом такое, при котором образуются легкис ядра группы Ь. Тогда процесс ослабления интенсивности 1 потока тяжелых ядер будет описываться уравнением где % число атомных ядер галактического газа в единице объема. Считая для простоты это число постоянным, получим 1т = 1тое (103.2) Тогда отношение концентраций легких и тяжелых частиц в космиче- ских лучах было бы равно и 1„, п 1 (103.3) В действительности полученное выражение справедливо независимо от введенного ранее предположения относительно направления. Только под л следует понимать длину пути, действительно проходимого космической частицей от места ее образования до места наблюдения.
А этот путь может значительно отличаться от прямолинейного. Как видно из табл. 22, и 1пт = 151(52+ 15 + 4) = 0,21 = 1/5. Влагодаря малосги этого отношения можно ограничиться линейным приближением и — = о1Уя, и, (103.4) 1 п, 1 1 я ТР1 и, 5 о%' (103.5) Введем упрощающее предположение, что при каждом исчезновении тяжелой частицы рождается только одна легкая частица группы Ь.
Если бы легкие частицы двигались также в направлении пучка, то образовался бы поток легких частиц с интенсивностью й 103) Космические лучи 725 Допустим, что источник космических лучей находится в Галактике. Для средней концентрации газа в Галактике можно принять % — 1 см з, а для среднего эффективного сечения п — 10 гь смг. При таких значениях получается х = 2. 10св см.
Скорость космической частицы незначительно отличается от скорости света с. Поэтому время движения частицы от источника до Земли т = (2. 10гв): (3 10'е) — 0,7. 10'ь с — 2 1От лет. 7. По-видимому, найденные значения х и т несколько занижены. Одна из причин этого состоит в том, что Галактика имеет форму диска диаметром Ог л 25 кпс = 7,7 . 10гг см и толщиной 2 кпс, который окружен гало, т.е. заполненной космическим веществом сферой диаметром 30 кпс.
Плотность галактического газа в гало примерно в 10 раз меньше, чем в галактическом диске. Наличие гало несколько снижает величину М и завышает значения х и т. Наиболее вероятными считаются значения х - 10гь см, т = 10" лет. Значение х примерно в 1000 раз превышает диаметр галактического диска. Это не противоречит использованному нами (но не доказанному) предположению, что исгочник космических лучей находится в пределах нашей Галактики.
Дело в том, что космическая частица при своем движении подвергается действию хаотически меняющихся в пространстве галактических магнитных полей, искривляющих ее траекторию. Последняя не прямолинейна, а илгеет довольно запутанный вид: блуждание космической частицы в Галактике напоминает броуновское движение в гигантских масштабах. В процессе длительного блуждания космических частиц в хаотически меняющихся галактических магнитных полях стирается всякая пространственная и временная выделенность источников галактических космических лучей по отношению к Земле.
С этим, по-видимому, и связана наблюдаемая высокая изотропия галактических космических лучей, т.е. однородность распределения направлений их движения в пространстве, установленная с точностью до 0,1 %. С эгим же связано и высокое постоянство их интенсивности во времени. Конечно, все это справедливо, если исключить искажающее влияние магнитных полей Земли и межпланетного пространства. Наиболее простой и надежный метод измерения магнитного поля Н в Галактике основан на исследовании зеемановского расщепления спектральной линии водорода Л = 21 см (см.
3 66, п.й). Таким и другими способами найдено, что средняя напряженность магнитного поля в межзвездном пространстве Галактики равна около 7 10 ь Гс. Этому соответствует средняя плотность магнитной энергии в том жс просгранстве Нг/8я — 1,5 10 'г эрг/см = 1,2 эВ/смг. 8. Распределение космических лучей по энергиям характеризуется энергетичесн м спектнром, который может быть иптегра ьнь м и дифференциальным. Интегральным энергетическим спектром !(8) называется поток космических частиц, кинетическая энергия которых (Гл.
ХН Некоторые вопросы астро4ивики 726 превышает Ф. Его производная по энергии И/ав, взятая по абсолютной величине, определяет дифференциальный энергетический спектр. Очевидно, это есть поток космических частиц, отнесенный к единичному интервалу энергии. В интервале энергий 10 — 10 ГэВ интегральный энергетический спектр хорошо аппроксимируется выражением 1(3) оо 3 (103.6) где ч в среднем равно приблизительно 1,6 — точнее, слабо меняется от 1,4 до 1,8, как показано ниже: При энергиях порядка 3 .
10ь ГэВ спектр 1(3) опускается вниз более круто, претерпевая сравнительно небольшой и плавный излом. Это, возможно, связано с тем, что частицы столь высоких энергий перестают эффективно удерживаться магнитным полем Галактики и начинают заметно уходить в метагалакгическое пространство. При 3 — 3 101о ГзВ спектр 1(3), по-видимому, становится опять более пологим. Частиц с энергией с > 10в ГэВ очень мало, а потому они уже не могут регистрироваться с помощью счетчиков или фотоэмульсий. Например, на площадь 1 мз частица с энергией (с > 1От ГэВ попадает в среднем только один раз в год.
Такие частицы обнаруживаются только по широким атмосферным ливням (см. п. 12). Зарегистрированы частицы с энергией порядка 10~о эВ = 10'1 ГэВ = 12 Дж. Энергии такой частицы достаточно, чтобы поднять груз массой 1 кг на высоту 1 м. Однако такие частицы встречаются очень редко — на поверхность в 10 кмз за год в среднем падает не более одной частицы с энергией 1020 эв При уменьшении энергии (В, начиная примерно с 10 ГэВ, рост интенсивности 1(3) замедляется и практически совсем прекращается при 3 ~ 2 ГэВ. Магнитное поле Земли приводит к тому, что при таких относительно малых энергиях протоны могут достигать поверхности Земли лишь в высоких широтах (в окрестности полюсов).
Но даже и в высоких широтах столь малоэнергичные частицы часто не достигают земной поверхности из-за потерь их энергии н атмосфере. Интенсивность космических лучей при 6 ~ 2!'эВ нерегулярно меняется во времени, так как они подвержены сильному влиянию магнитного поля, переносимого сгустками солнечной плазмы (так называемым солнечным ветром). Эти космические лучи заметно повышают нормальный уровень ионизации воздуха в верхних слоях атмосферы, что делает их непроницаемыми для радиошумов, приходящих из Галактики. Они приводят также к прерыванию радиосвязи на коротких волнах в полярной зоне (см.
т. %., 3 87). ~ 103) Космические лучи 727 9. По энергетическому спектру можно вычислить среднюю плотность энергии космических лучей в межзвездном пространстве нашей Галактики и сравнить ее с тем, что дают другие источники энергии. В плотность энергии вносят свой вклад; 1,6. 10 ев эрг/см = 1,3 эВ/см, 0,5. 10 '" эрг/см = 0,4 эВ/смз, 1,5 10 '~ эрг/см = 1,25 эВ/смз, 0,7 10 ш эрг/см = 0,6 эВ/см'.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
