В 1927 г, советский ученый Д. В. Скобельцын первый получил фотографию следов космических лучей в ионизационной камере·

Обычными способами, которые мы описывали ранее, была определена энергия космических частиц. Она оказалась огромной·

Изучая природу космических лучей, физики сделали ряд замечательных открытий· В частности, существование позитрона было доказано именно этим путём· Такие же точно и мезоны - частицы с массой, промежуточный между массами протона и электрона, были впервые обнаружены в космических лучах·

Исследования космических лучей продолжают оставаться одним из увлекательных занятий физиков.

Незавершенность астрофизики делает трудным ее изложение в одной главе не большой книги, цель которой - ввести читателя в круг основных фактов и идей физической науки. Я выбрал из физических проблем, касающихся вселенной, лишь несколько вопросов, которые казались мне наиболее интересными.

Если в воздухе нет ионов, то заряженный электроскоп должен сохранять свой заряд неопределенно долгое время· Однако опыт показывает, что электроскоп постепенно разряжается·

Вначале это явление объясняли ионизирующим действием ра-диоактивного излучения Земли, Если это так, то по мере удаления от поверхности Земли ионизирующее воздух излучение должно ослабевать. Еще в 1912 г· с помощью воздушных шаров было установлено, что интенсивность ионизирующего излучения возрастает с увеличением высоты, Следовательно, это излучение возникает не на Земле, а где-то в мировом пространстве. Поэтому его стали называть космическим излучением, или космическими лучами.

Изучение космических лучей в высокогорных областях показало, что они состоят из пионов, протонов, нейтронов и других частиц, среди которых были обнаружены и многие неизвестные ранее частицы. Эти частицы были названы вторичными, так как выяснилось, что они образуются в верхних слоях атмосферы при взаимодействии первичных космических частиц, летящих из мирового пространства, с ядрами атомов атмосферы,

Исследования показали, что интенсивность космических лучей вблизи магнитных полюсов Земли примерно в 1,5 раза больше, чем на экваторе, Изучение отклоняющего действия магнитного поля Земли на первичное космическое излучение показало, что оно состоит из положительно заряженных частиц. Много ценных сведений о пер-вичном космическом излучении получено с помощью искусственных спутников и космических кораблей,

В настоящее время установлено, что первичное космическое излучение состоит из стабильных частиц высоких энергий, летящих в самых различных направлениях в космическом пространстве. Интенсивность космического излучения в районе Солнечной системы составляет в среднем 2-4 частицы на 1 см^2 за 1 с, Оно состоит в основном из протонов (~91 %) и а-частиц (6,6%); небольшая часть приходится на ядра других элементов (менее 1%) и электроны (~1,5%).

Среднее значение энергии космических частиц - около 10^4 МэВ, а энергия отдельных частиц достигает чрезвычайно высоких значений – 10^12 МэВ и более. Где возникают космические частицы и как они ускоряются до таких огромных энергий, еще точно неизвестно. Предполагают, что они выбрасываются при взрывах новых и сверхновых звезд и ускоряются при взаимодействии с неоднородными магнитными полями в межзвездном пространстве.

Солнце периодически (во время вспышек) испускает солнечные космические лучи, которые состоят в основном из протонов и а-частиц, имеют небольшую энергию, но высокую интенсивность, что приходится учитывать при планировании космических полётов.

Вторичные частицы также обладают очень высокой энергией и ири столкновении с ядрами вызывают дальнейшее размножение частиц,

На рис, 1 показана зафиксированная на толстослойной фотопластине увеличенная картина разрушения атомного ядра при попадании в него частицы большой энергии (около 2·10^3 МэВ).

След ударившей в ядро частицы невидим (по-видимому, это нейтрон). Ядро распалось на 17 частиц, разлетевшихся в разные стороны·

В результате лавинообразного размножения частиц в верхних слоях атмосферы образуется каскадный ядерный ливень, На рис, 2 изображен искусственный каскадный ливень, полученный в камере Вильсона, перегороженной свинцовыми пластинами, Частица высокой энергии, проходя через слой свинца, создает ливень частиц, которые при прохождении следующих слоев свинца создают новые ливни,

Рис1 Рис2

Ядерный ливень в атмосфере затухает, когда энергия частиц снижается до нескольких десятков мегаэлектронвольт. Остаток энергии протоны тратят на ионизацию воздуха; нейтроны поглощаются ядрами, вызывая различные ядерные реакции, а пионы, составляющие основную часть ливневых частиц, распадаются. Образующиеся в большом количестве фотоны и электроны сильно поглощаются атмосферой.

Каждый нейтральный пион очень быстро превращается в два фотона высокой энергии· При распаде заряженных пионов образуются новые частицы - u-мезоны, или мюоны, которые были открыты К· Андерсоном в 1935 г, при изучении космических лучей, задолго до открытия пионов, Масса мюона в 207 раз больше массы электрона, т.е, составляет около 3/4 массы пиона, Существуют мюоны только двух видов - положительно и отрицательно заряженные; они обозначаются u+ и u-, При распаде л+-мезонов образуются u+-мезоны, а при распаде л-мезонов u-мезоны.

Оказывается, что, в отличие от пионов, мюоны не участвуют в ядерных взаимодействиях и расходуют энергию только на ионизацию. Поэтому они обладают высокой проникающей способностью и составляют так называемую жесткую компоненту космического излучения· Мюоны пролетают сквозь атмосферу, и их обнаруживают даже на значительной глубине под поверхностью Земли.

Мюоны нестабильны, они существуют всего несколько микросекунд и распадаются на другие частицы.

На уровне моря космическое излучение имеет примерно в сто раз меньшую интенсивность, чем на границе атмосферы, и состоит в основном из мюонов. Остальную часть составляют электроны и фотоны и незначительное количество ливневых частиц. Из первичного космического излучения только отдельные частицы, с исключительно высокой энергией (более 10^7 МэВ), пробиваются сквозь атмосферу.

В космических лучах мюоны, как и пионы, летят со скоростями, близкими к скорости света, и поэтому благодаря релятивистскому замедлению времени успевают до своего распада пролететь большие расстояния.

3. Античастицы.

Антивещество - материя, построенная из античастиц. Существование античастиц было впервые предсказано в 1930 году английским физиком П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего ту же массу и положительный электрический заряд. В то же время была известна лишь одна положительно заряженная частица - протон, резко отличавшийся по своим свойствам от электрона. Теоретики стали придумывать хитроумные объяснения этих различий, но вскоре выяснилось, что протон не имеет ничего общего с частицей, предсказанной Дираком. В 1932 году положительно заряженные позитроны обнаружил в космических лучах американский физик К. Андерсон. Это открытие явилось блестящим подтверждением теории Дирака.