Основные понятия и определения в физике космических лучей

Термин «космические лучи» был введён в начале XX века после опытов В. Гессa (1912), подтвердивших существование интенсивного ионизирующего излучения внеземного происхождения. Первоначально под космическими лучами понималось некое «жёсткое излучение», проникающее в атмосферу. Впоследствии было установлено, что речь идёт главным образом не о фотонном излучении, а о потоке заряженных частиц высокой энергии, среди которых доминируют протоны и тяжёлые ядра.

Современное определение: космические лучи — это совокупность высокоэнергичных заряженных частиц (в основном протоны и ядра атомов), а также вторичных частиц, возникающих в атмосфере при их взаимодействии с веществом.

Первичные и вторичные космические лучи

Первичные космические лучи — это частицы, достигающие верхних слоёв атмосферы Земли напрямую из космического пространства. Их энергетический спектр охватывает диапазон от миллионов электронвольт (МэВ) до экстремально высоких энергий порядка 1020 эВ. Основной состав:

  • протоны (~90%),
  • ядра гелия (~9%),
  • более тяжёлые ядра (углерод, кислород, железо и др.) — около 1%,
  • электроны и позитроны — доли процента.

Вторичные космические лучи образуются в результате ядерных взаимодействий первичных частиц с ядрами атомов атмосферы. Возникают каскады вторичных частиц — пионов, мюонов, нейтронов, гамма-квантов. На поверхности Земли основной поток составляют мюоны, обладающие высокой проникающей способностью, а также нейтроны и электроны.

Энергетический спектр и его особенности

Энергетический спектр космических лучей подчиняется степенному закону:

$$ \frac{dN}{dE} \sim E^{-\gamma}, $$

где γ ≈ 2.7 в области энергий до 1015 эВ.

Выделяют характерные особенности спектра:

  • «Колено» спектра — вблизи энергий 1015–1016 эВ наблюдается изменение показателя степени (γ увеличивается до ~3.1).
  • «Лодыжка» — область около 1018 эВ, где спектр снова выпрямляется, что связывают с переходом от галактических к внегалактическим источникам.
  • Сверхвысокоэнергичные космические лучи — частицы с энергией выше 1019 эВ. Их происхождение остаётся одной из фундаментальных загадок астрофизики.

Основные понятия, связанные с происхождением и распространением

Источник космических лучей — астрофизический объект или процесс, способный ускорять частицы до релятивистских энергий. К числу вероятных источников относятся:

  • остатки сверхновых,
  • пульсары,
  • активные галактические ядра,
  • ударные волны в межгалактической среде.

Механизм ускорения — процесс, при котором частица многократно пересекает ударный фронт (например, в остатке сверхновой), получая при каждом пересечении приращение энергии. Этот процесс называется ускорением Ферми I-го рода. Существуют также механизмы Ферми II-го рода (ускорение при хаотических столкновениях с движущимися магнитными облаками) и более сложные сценарии.

Космические магнитные поля играют фундаментальную роль, определяя траектории движения заряженных частиц. Спиральное движение вокруг силовых линий приводит к диффузному распространению частиц в галактической среде.

Взаимодействие космических лучей с веществом и атмосферой

При входе в атмосферу первичные частицы инициируют ядерные каскады. Основные стадии:

  1. Столкновение протона или ядра с атомами воздуха.
  2. Образование пионов (π+, π−, π0).
  3. Распад пионов: π0 → γγ, π± → μ± + νμ.
  4. Мюоны достигают поверхности Земли и детектируются приборами.

Таким образом, космические лучи представляют собой важный источник вторичного излучения, включая гамма-кванты и нейтрино.

Основные физические параметры

Для описания космических лучей используются следующие величины:

  • Интенсивность потока (I) — число частиц, падающих на единичную площадь в единицу времени и в единичном телесном угле.
  • Жёсткость (rigidity) — отношение импульса частицы к её заряду:

$$ R = \frac{pc}{Ze}. $$

Эта величина определяет степень отклонения траектории частиц магнитными полями.

  • Летальность (penetration depth) — средняя глубина проникновения частиц в атмосферу или вещество.
  • Анизотропия космических лучей — малые отклонения от изотропного распределения, несущие информацию об источниках.

Радиационные и прикладные аспекты

Космические лучи оказывают существенное влияние на:

  • Радиационный фон на поверхности Земли и на борту самолётов и космических аппаратов.
  • Эволюцию атмосферы, способствуя образованию озона и азотных окислов.
  • Технологические процессы: космические частицы вызывают сбои в электронике, ускоряют деградацию материалов и солнечных панелей.
  • Ядерную физику: использование космогенерации изотопов (например, 14C) для радиоуглеродного датирования.
Оглавление