Физика ядра и частиц Взаимодействие частиц с веществом
Электромагнитное взаимодействие Кварки Атомное ядро Магнитный дипольный момент ядра Законы радиоактивного распада ядер. Альфа-распад. Бета-распад Естественная радиоактивность

Курс лекций по ядерной физике, физика атомного ядра и частиц

Космические лучи. Их состав и происхождение

    Космические лучи были открыты в 1912 г. В. Гессом. Различают первичные космические лучи - космические лучи до входа в атмосферу и вторичные космические лучи, образовавшиеся в результате процессов взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой Земли

kinet1.gif (5810 bytes)

Рис. 1. Основные компоненты первичных космических лучей

Copy of depth1.gif (5102 bytes)

Рис. 2. Вертикальные потоки космических лучей в атмосфере. За исключением протонов и электронов на больших высотах, все остальные частицы образуются в результате взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой. Точками показаны результаты измерений отрицательных мюонов с энергией > 1 ГэВ

Характеристики космических лучей до входа в атмосферу (первичные космические лучи)

 

Галактические космические лучи

Солнечные космические лучи

Поток

~ 1 см-2·с-1

Во время солнечных вспышек может достигать ~106 см-2·с-1
Состав
  1. Ядерная компонента - ~90% протонов, ~10% ядер гелия, ~1% более тяжелых ядер
  2. Электроны (~1% от числа ядер)
  3. Позитроны (~10% от числа электронов)
  4. Антиадроны <1%
98-99% протоны, ~1.5% ядра гелия
Диапазон энергий106 - 1021 эВ105 - 1011 эВ

   В результате взаимодействия с ядрами атмосферы первичные космические лучи (в основном протоны) создают большое число вторичных частиц - пионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов, позитронов и фотонов. Таким образом вместо одной первичной частицы возникает большое число вторичных частиц, которые делятся на адронную, мюонную и электронно-фотонную компоненты. Такой каскад покрывает большую территорию и называется широким атмосферным ливнем.
    В одном акте взаимодействия протон обычно теряет ~50% своей энергии, а в результате взаимодействия возникают в основном пионы. Каждое последующее взаимодействие первичной частицы добавляет в каскад новые адроны, которые летят примущественно по направлению первичной частицы, образуя адронный кор ливня.
    Образующиеся пионы могут взаимодействовать с ядрами атмосферы, а могут распадаться, формируя мюонную и электронно-фотонную компоненты ливня. Адронная компонента до поверхности Земли практически не доходит, превращаясь в мюоны, нейтрино и гамма-кванты.

Рис. 1.

Рис. 3. Широкий атмосферный ливень

Рис.2

Рис. 4. Пространственное распределение компонент широкого атмосферного ливня

pi0-----> 2гамма ,
pi+----->мю+ + ,
pi------>мю- + neutrmu ,    Мюоны в свою очередь могут распадатьсямю+-----> e+ + nu1.gif (59 bytes)e + ,
мю------> e- + n e + neutrmu.    Образующиеся при распаде нейтральных пионов гамма -кванты вызывают каскад электронов и гамма -квантов, которые в свою очередь образуют электрон-позитронные пары. Заряженные лептоны теряют энергию на ионизацию и радиационное торможение. Поверхности Земли в основном достигают релятивистские мюоны. Электронно-фотонная компонента поглощается сильнее.
    Один протон с энергией > 1014 эВ может создать 106-109 вторичных частиц. На поверхности Земли адроны ливня концентрируются в области порядка нескольких метров, электронно-фотонная компонента - в области ~100 м, мюонная - нескольких сотен метров.
    Поток космических лучей на уровне моря примерно в 100 раз меньше потока первичных космических лучей (~0.01 см-2·с-1).    Основными источниками первичных космических лучей являются взрывы сверхновых звезд (галактические космические лучи) и Солнце. Большие энергии (до 1016 эВ) галактических космических лучей объясняются ускорением частиц на ударных волнах, образующихся взрывах сверхновых. Природа космических лучей сверхвысоких энергий пока не имеет однозначной интерпретации. На рис. 5 показан спектр всех частиц первичных галактических лучей. В широком диапазоне энергий спектр апроксимируется соотношением dN/dE ~ E-2.7. Особый интерес представляют области энергий 1015-1016 эВ так называемое "колено" (knee) и 1018-1019 - "лодыжка" (ankle), в которых наблюдаются аномалии.
    Интенсивность космических лучей на больших интервалах времени была постоянна в течение ~109 лет. Однако, появились данные, что 30-40 тыс. лет тому назад интенсивность космических лучей заметно отличалась от современной (см. рис.6). Пик интенсивности связывают со взрывом близкой к Солнечной системе (~50 пк) Сверхновой.
Рис.5

Рис. 5. Спектр всех частиц первичных космических лучей.

Рис.6Рис. 6. Зависимость интенсивности космических лучей лучей от времени, полученная при исследовании относительной концентрации космогенных радиоактивных изотопов 14С, 10Ве, 36Сl
Хроника
Элементарные составляющие материи
Измерения
Сечение
Энергия реакции. Порог реакции
Ускорители
Взаимодействие частиц с веществом
Детекторы частиц
Новая физика начала ХХ века - теория относительности, квантовая физика
Основные соотношения релятивистской физики
Корпускулярные и волновые свойства частиц. Принцип неопределенности
Состояния в классической и квантовой физике
Резерфорд открывает атомное ядро
Pазмеры и структура ядер
Структура нуклона
Глубоконеупругое рассеяние электрона на протоне

Частицы

В твердых кристаллических телах носителями электрического заряда являются электроны и дырки. В изоляторах свободные электроны и дырки практически отсутствуют, и электрический ток в них невозможен вследствие того, что в зоне проводимости нет свободных электронов, а в валентной зоне нет свободных дырок, которые могли бы двигаться (т.е. изменять свою энергию) во внешнем электрическом поле. Однако такие свободные электроны и дырки появляются в результате прохождения через кристалл заряженной частицы. Процесс генерации заряженной частицей (квази)свободных электронов и дырок (т.е. свободных только внутри кристалла) во многом аналогичен процессу генерации свободных электронов и ионов в газах и жидкостях и описывается теми же формулами

Основные вопросы по курсу Физика ядра и частиц