Файл: Лушев, Ю. Г. Физика верхней атмосферы Земли учебник.pdf

ные космические лучи, которые и наблюдаются в большей части атмосферы и тем более на уровне моря.

Одной из наиболее характерных особенностей частиц косми­ ческих лучей является их способность к лавинообразному раз­ множению. Такая особенность свойственна лишь частицам с вы­ сокой энергией. Частицы, испускаемые радиоактивными веще­ ствами, и корпускулярные частицы этим свойством не обладают.

В широких атмосферных ливнях рождаются почти все извест­ ные в настоящее время элементарные частицы, большинство ко­ торых испытывает затем самопроизвольный распад с превраще­ нием в конечном счете в другие стабильные частицы. Изучение таких ливней дает пока единственную возможность для экспери­ ментального изучения картины процессов взаимодействия ча­ стиц, происходящих при самых высоких энергиях, существующих в природе. В Советском Союзе широкие атмосферные ливни изу­ чаются на Памирской высокогорной научной станции Физическо­ го института им. П. Н. Лебедева АН СССР, расположенной на высоте 3860 м над уровнем моря. Установка, состоящая из тыся­

252

тромагнитных и ядерных процессов расщепления. Наиболее ха­ рактерен процесс образования так называемого электронно-ядер­ ного ливня. Схема такого ливня изображена на рис. 13.3.

Первичные протоны с энергиями £ >• 5- 10э эв при попадании в атмосферу образуют ядерные расщепления, в результате кото­ рых из ядра вылетают вторичные протоны и нейтроны с меньши­ ми энергиями, а-частицы и образуются неустойчивые частицы — те-мезоны. В каждом акте взаимодействия первичный протон пе­ редает мезонам в среднем около '/з своей начальной энергии, а большая часть энергии сохраняется у первичной частицы. При энергиях около 2010я эв первичные протоны могут образовывать мезоны примерно в трех последовательных актах взаимодей­ ствия. Поглощение первйчных протонов с энергией, немного пре­ восходящей 109 эв, и образованных ими вторичных нуклонов в основном заканчивается на высоте около 10 км над уровнем моря.

Вторичные протоны значительную долю своей энергии расхо­ дуют на ионизацию атомов атмосферы, частично вызывая новые ядерные расщепления. Нейтроны замедляются при упругих столкновениях и также частично могут вызывать ядерные рас­ щепления.

Образовавшиеся те-мезоны являются неустойчивыми части­ цами, очень быстро распадаются, не достигая поверхности Земли.

ского излучения у поверхности земли. Нейтральные те®-мезоны, распадаясь, образуют два фотона большой энергии (два т-кван- та), которые в соответствии с законами электромагнитной кас­ кадной теории могут являться началом ливневого размножения

На рис. 13.4 изображена схема каскадного процесса образо­ вания частиц фотоном и позитроном большой энергии. В этих случаях развитие ливня состоит в многократном и последователь-

253

ном рождении электронно-позитронных пар f -квантами высоких энергий и в образовании таких f -квантов электронами и пози­ тронами, обладающими еще более высокими энергиями. Этот процесс размножения происходит до тех пор, пока энергия ча­ стиц и порождаемых ими -(-квантов не упадет настолько, что по­ глощение -(-квантов за счет других процессов, не связанных с образованием электронно-позитронных пар, не начнет превали­ ровать.

Явление образования электронно-позитронных пар и их аннигиляция (исчезновение) было открыто в космических лу­ чах и сыграло огромную роль в развитии наших представлений

Тормозное

излучение

Рис. 13.4. Схема образования каскадного ливня

о строении вещества. Оно явилось одним из веских подтвержде­ ний диалектического материализма о взаимной превращаемости одной формы материи в другую. Частицы рождаются и исчезают, но при этом материя и энергия сохраняются.

Рассмотренные выше процессы приводят к тому, что на вы­ сотах ниже 20 км космические лучи практически полностью но­ сят вторичный характер. Эти лучи состоят из положительно и отрицательно заряженных ц-мезонов (мюонов), электронов, по­ зитронов, нейтрино, фотонов, . медленных протонов, нейтронов и а-частиц.

Вторичные космические лучи обладают также огромными энергиями и большой проникающей способностью. Однако ана­ лиз кривых поглощения показал, что частицы вторичных косми­ ческих лучей .поглощаются по-разному.

Если два газоразрядных счетчика, расположенных по верти­ кали, включить в схему совпадения и между ними помещать свинцовый фильтр различной толщины (рис. 13.5), то можно по­ лучить зависимость числа совпадений от толщины фильтра. Эта

254

зависимость приведена на графике (рис. 13.6). По оси ординат отложено число совпадений, по оси абсцисс — толщина свинца

Характер поглощения различных составляющих вторичных космических лучей атмосферой Земли показан на рис. 13.7. Из рисунка видно, что протоны и электроны поглощаются примерно

уровня моря на долю мягкой компоненты приходится около Чг а на долю жесткой около 2/з полной интенсивности космического излучения.

255

На высотах более 25 км разделение на мягкую и жесткую ком­ поненты теряет ту определенность, которую оно имеет на уровне моря. Изменение с высотой интенсивностей мягкой и жесткой компонент существенно различно. Из рис. 13.8 видно, что мягкая компонента растет с высотой значительно быстрее, чем жесткая. На высоте около 4 км их интенсивности примерно равны, на вы­ соте около 15 км интенсивность мягкой компоненты примерно в три раза больше интенсивности жесткой, а выше это отноше­

ние уменьшается.

стицы, идущие вертикально. Из этого же следует, что максимум для вертикальной интенсивности должен быть выражен более резко, чем для глобальной интенсивности.

Наличие максимума интенсивности космических лучей в стра­ тосфере обусловлено взаимодействием первичных космических лучей с атомами атмосферы и образованием вторичных элемен­ тарных частиц. На высотах выше максимума число вторичных частиц невелико из-за незначительной плотности атмосферы. На высотах ниже максимума интенсивность космических лучей уменьшается из-за преобладания поглощения вторичных частиц над их образованием. Высоте максимума интенсивности соответ-

256

ствуют наиболее благоприятные условия образования и сущест­ вования вторичных частиц.

Вторичное космическое излу­ чение не - остается постоянным. Интенсивность вторичных частиц типа i на уровне z0 равна: