Контрольные вопросы
1.Что называется термоядерным синтезом и где он осуществляется?
2.Опишите проблемы управляемого термоядерного синтеза
(УТС).
3.Что называется критерием Лоусона и как он используется в УТС?
6. КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ 6.1. Типы космических лучей
Космические лучи – это частицы, заполняющие межзвёздное пространство и постоянно бомбардирующие Землю. Они были открыты в 1912 г. В. Гессом с помощью ионизационной камеры, установленной на воздушном шаре.
Измерение скорости ионизации воздуха в зависимости от высоты подъема над уровнем Земли показало, что с ростом высоты величина ионизации сначала уменьшается, а затем на высоте 2 км начинает резко возрастать. Ионизация образуется космическими лучами, падающими на границу атмосферы из космического пространства.
Космические лучи представляют собой ядра различных элементов. Максимальные энергии космических лучей, ≈1020эВ, на много порядков превосходят энергии, доступные современным ускорителям (≈1012эВ). Хотя в состав космических лучей входят не только заряженные, но и нейтральные частицы (особенно много фотонов и нейтрино), космическими лучами обычно называют заряженные частицы.
Различают следующие типы космических лучей:
1.Галактические космические лучи – космические частицы, приходящие на Землю из недр нашей галактики. В их состав не входят частицы, генерируемые Солнцем.
2.Солнечные космические лучи – космические частицы, гене-
рируемые Солнцем.
3. Метагалактические космические лучи − космические частицы, возникшие вне нашей галактики. Их вклад в общий поток космических лучей невелик (рис. 27).
97
Рис. 27. Галактические и солнечные космические лучи
Космические лучи, не искаженные взаимодействием с атмосферой Земли, называют первичными. Поток галактических космических лучей, бомбардирующих Землю, изотропен, постоянен во
времени и составляет ≈ 1 частица/см2 с (до входа в земную атмо-
сферу). Плотность энергии галактических космических лучей ≈1эВ/см3, что сравнимо с суммарной энергией электромагнитного излучения звёзд, теплового движения межзвёздного газа и галактического магнитного поля (табл. 16).
Характеристики первичных космических лучей |
Таблица 16 |
||||
|
|||||
Характеристики |
Галактические |
|
Солнечные |
||
космические лучи |
|
космические лучи |
|||
|
|
||||
Поток |
≈ 1см−2 с−1 |
|
|
Во время солнечных |
|
|
|
|
|
вспышек |
может до- |
|
|
|
|
стигать ≈106см−2 с−1 |
|
Состав |
Ядерная |
компонента |
(≈90% |
98–99% |
протоны, |
|
протонов, |
≈10% ядер |
гелия, |
≈1,5% ядра гелия |
|
|
≈1% более тяжелых ядер) |
|
|
||
|
Электроны (≈1% от числа |
|
|
||
|
ядер) |
|
|
|
|
|
Позитроны (≈10% от |
числа |
|
|
|
|
электронов) |
|
|
|
|
|
Антиадроны (< 0,01%) |
|
|
|
|
Диапазон энер- |
106-1021эВ |
|
|
105–1011эВ |
|
98
гий
Энергетический спектр космических лучей (рис. 28) охватывает диапазон 106 – 1021эВ. Их поток для частиц с E>109эВ быстро уменьшается с ростом энергии.
Рис. 28. Энергетический спектр космических лучей
Дифференциальный энергетический спектр ядерной компоненты космических лучей в области 1010 – 1020эВ описывается соотношением
dN |
= N0 E−γ , |
(15) |
dE |
|
|
где N0 и γ – константы. В спектре наблюдается излом |
в районе |
|
1015 – 1016 эВ. |
|
|
Показатель наклона спектра до излома γ = 2,7. Для космических частиц с большей энергией спектр становится круче: γ≈3.
Спектр частиц с энергией, превышающей 1019эВ, становится более пологим, что можно объяснить взаимодействием метагалактических космических лучей с энергией больше 1019эВ с реликтовыми фотонами, в результате чего космические лучи теряют часть своей энергии, что делает их спектр более пологим. Это же взаимодействие должно приводить и к обрезанию спектра космических
лучей при энергии, превышающей 5 1019эВ (Г. Зацепин, В. Кузьмин и К. Грейзен).
99
6.2. Солнечные космические лучи
Заряженные частицы, испускаемые Солнцем (солнечные космические лучи), являются важными компонентами космического излучения, бомбардирующего Землю.
Данные частицы ускоряются до высоких энергий в верхней части атмосферы Солнца во время солнечных вспышек.
Солнечные вспышки подвержены определённым временным циклам. Самые мощные из них повторяются в среднем через 11 лет, менее мощные – через 27 дней. Во время мощных солнечных
вспышек поток солнечных космических лучей может увеличиться в 106 раз по сравнению с потоком галактических космических лучей. По сравнению с последними в солнечных космических лучах
больше протонов (до 98–99 % |
всех |
ядер) и соответственно мень- |
||
ше |
ядер |
гелия (≈ 1,5 %). В |
них |
практически нет других ядер, |
а |
содержание ядер с Z≥2 отражает состав солнечной атмосферы. |
|||
Энергии |
частиц солнечных космических лучей изменяются |
|||
в интервале 10 5 –1011эВ. Их энергетический спектр также имеет вид степенной функции (15).
Параметр γ уменьшается от 7 до 2 по мере уменьшения энергии частиц.
6.3.Вторичные космические лучи
Врезультате взаимодействия высокоэнергичных частиц первичного космического излучения с ядрами атмосферы образуется большое число вторичных частиц: адронов (пионов, протонов, нейтронов, антинуклонов и т.д.), лептонов (мюонов, электронов, позитронов, нейтрино) и фотонов.
Развивается сложный многоступенчатый каскадный процесс. Кинетическая энергия вторичных частиц расходуется в основном на ионизацию атмосферы. Толщина земной атмосферы составляет около 1000 г/см2. В то же время пробеги высокоэнергичных протонов в воздухе 70…80 г/см2, а ядер гелия – 20…30 г/см2.
Высокоэнергичный протон может испытать до 15 столкновений с ядрами атмосферы, и вероятность дойти до уровня моря у первичного протона крайне мала. Первое столкновение происходит обычно на высоте 20 км. Лептоны и фотоны образ уются в результате слабых электромагнитных распадов вторичных ад-
100
ронов (главным образом пионов) и рождения γ -квантами
e−e+ − пар в кулоновском поле ядер:
π0 → 2γ,
π+ →µ+ + νµ , |
π− →µ− + νµ , |
µ+ → e+ + νe + νµ , |
µ− → e− + νe + νµ , |
ядро+γ → ядро+e− +e−.
Таким образом, вместо одной первичной частицы возникает большое число вторичных, которые делятся на адронную, мюонную и электронно-фотонную компоненты. В результате лавинообразного нарастания числа частиц в максимуме каскада их число
может достигать 106 –109 при энергии первичного протона, превышающей 1014эВ.
Такой каскад покрывает площадь в несколько квадратных километров и называется широким атмосферным ливнем. После достижения максимального числа частиц происходит затухание каскада, причем в основном за счёт потери энергии на ионизацию атмосферы. Поверхности Земли достигают в основном релятивистские мюоны и нейтрино. Сильнее поглощается электроннофотонная компонента и практически полностью «вымирает» адронная составляющая каскада (рис. 29).
Рис. 29. Вторичные космические частицы
101