Космически лъчи

Какво е

Космически лъчи

Основният модел, с който физиците изследват свойствата на материята, е обстрелването на веществото със заредени частици. Така се преодоляват силите на отблъскване и се получава информация за вътрешността на атома. Първото голямо откритие, направено по този начин, е наблюдението на Ръдърфорд, че алфа-частиците се разсейват от малък обект в центъра на атома — неговото ядро. През 30-те години се появиха апаратите с ускорени частици, с които бяха направени много нови открития. Трябваше обаче да мине доста време, докато новата техника се усъвършенствува. Междувременно физиците бяха открили един мощен източник на заредени частици, благодарение на който събраха много данни за строежа на атома. Това бяха космически лъчи.

5000 продукта от Knipex на склад

Алфа-, бета- и гама- лъчи

В началото на века учените вече знаеха доста за алфа-, бета- и гама-лъчите, трите съставки на естествената радиация. Установи се, че радиоактивните елементи се срещат доста нашироко в земната кора и създават радиоактивен фон, който ни обкръжава навсякъде. Учените смятаха съвсем логично, че с издигане над земната повърхност потокът на радиацията ще се намали. Това бе потвърдено от немския физик Т. Вулф, който през 1910 г. се изкачи на върха на Айфеловата кула и измери оттам радиоактивния фон с един нов модел електроскоп.

Една година по-късно, в 1911 г., младият австрийски физик Виктор Хес реши да изследва този въпрос с помощта на балон. В седем полета, при които бе постигната височина до 5 км, Хес установи, че наистина отначало радиацията намалява, но от височина 600 м започва да расте. В 1912 г. той публикува прецизните си измервания, от които се налагаше изводът, че в атмосферата навлиза радиация с много голяма проникваща сила. Откритието на австрийския учен предизвика много дискусии в научните среди. Редица бележити физици смятаха, че повишената радиация се дължи на атмосферни процеси или на облаци прах, издигнати от Земята. Извънземният произход на лъчите бе окончателно доказан от известния експериментатор Робърт Миликан.

Той пускаше балони със самопишещи електроскопи, които летяха дълго време на височина 10 км и повече. После бе измислен и нов експеримент. Тъй като източникът на радиацията се търсеше в Космоса, Маликан постави детектори в езера с различна надморска височина и изследвайки поглъщането на лъчите от слоя вода, окончателно доказа техния извънземен произход. Той даде на този радиоактивен поток названието „космически лъчи“ и се опита да свърже техния произход с процеса на образуване на химическите елементи — една теория, която впоследствие бе отхвърлена.

Проникващата сила на космически лъчи

Проникващата сила на известните космически лъчи е много по-голяма от естествената радиация на минералите или на първите малки ускорители. Това накара физиците да се насочат към този естествен ускорител на частици и почти две десетилетия реакциите, предизвикани от космически лъчи, бяха най-важният източник на информация за строежа на атома.

В 1928 г. Пол Дирак започна да развива релативистичната теория на електрона. В неговите уравнения се получиха резултати, които показваха възможността за съществуването на електрон с положителен заряд. По това време вече широко се изследваха всички космически лъчи и в 1932 г. американският физик Карл Дейвид Андерсън откри частица с маса като електрона, но с положителен заряд. Това наблюдение бе направено с Уилсънова камера, поставена в електромагнитно поле. Новата частица бе наречена положителен електрон, или накратко — позитрон. Скоро след откриването й редица изследователи наблюдаваха как при сблъскване с обикновения електрон настъпва анихилация и се отделят гама-кванти. Наред с това бе открит и обратният процес, при който гама-кванти образуват електроно-позитронни двойки. Така идеята на Айнщайн за връзка между материята и енергията получи нагледно доказателство.

Нобелови награди за откриването на космически лъчи

Откриването на позитрона бе великолепно потвърждение на идея, дошла по чисто теоретичен път. То показа и голямото значение на загадъчните космически лъчи като източник на частици с висока енергия, способни да разкрият строежа на веществото. Тези резултати бяха високо оценени от Нобеловия комитет по физика, който реши да награди през 1936 г. Виктор Хес за откриването на известните космически лъчи и Карл Дейвид Андерсън за откриването на позитрони в същите лъчи.

Позитронът бе открит върху няколко от хилядите фотографии на следи от частици, направени в мъглинна камера. Този забележителен апарат, изиграл огромна роля в експерименталната физика, бе създаден в 1912 г. от английския учен Чарлз Томсън Рийс Уилсън.

Още в края на миналия век, с откриването на естествената радиоактивност, се набелязаха и основните методи за нейното изследване. Анри Бекерел използваше фотоплаки, а съпрузите Кюри — електроскоп. В 1903 г. Уилиам Крукс, вече престарял учен, създаде своя спинтарископ — любимия уред на Ръдърфорд, с който се наблюдават отделни алфа-частици. Това е пластинка от цинков сулфид, която свети под ударите на частиците. На екрана се появяват сноп искрици и оттам идва гръцкото название на прибора. Главният апарат за изследване на частиците обаче дойде от съвсем друга посока.

Мъглинна камера за откриване на космически лъчи

Основните интереси на члена на Лондонското кралско дружество Чарлз Уилсън бяха насочени към процесите на кондензация на водните пари и образуването на облаци в атмосферата. Той имаше теория, според която водните капчици се формират около йоните във въздуха. Тъй като е трудно да се наблюдава образуването на облаците на място, Уилсън създаде една камера, в която с помощта на бутало можеше рязко да се промени обемът и налягането и по този начин да се създават условия за кондензация.

Интересът на Уилсън към йоните неизбежно го сближаваха с изследванията върху радиоактивността. Естествената радиация е един от важните източници на йони в атмосферата. От всичко това оставаше само една крачка, за да се осъществи връзката. Уилсън установи, че радиоактивните частици, минавайки през неговата мъглинна камера, образуват йони, които стават видими от капчиците вода, кондензиращи около тях. По този начин невидимата частица създава в камерата една съвсем реална следа — линия от водни капчици, която може да се фотографира.

Човекът, който направи частиците видими

Макар и с известно закъснение, Чарлз Уилсън, човекът, който направи частиците видими, стана Нобелов лауреат през 1927 г., когато раздели наградата по физика с Артър Комптън. Двамата бяха наградени едновременно, защото ефектът на Комптън бе наблюдаван с камерата на Уилсън.

Именно с мъглинна камера през 1932 г. Андерсън откри позитрона. Допълнително магнитно поле отклоняваше траекторията на частиците и помагаше за по-бързата идентификация. През определен интервал се правеха снимки, върху които после се търсеха следи от нови частици. Хиляди фотографии бяха прегледани, за да се открие върху няколко от тях следата на позитрона. Благодарение на едно остроумно автоматизиране на камерата английският физик Патрик Мейнард Стюарт Блякет успя да получи забележителни резултати, без да изразходва толкова много време и такива количества материали.

Той съчета камерата на Уилсън с Гайгер-Мюлеровия брояч — един уред, който може да регистрира дори единични частици. Блякет постави един брояч над камерата и един под нея и така съедини електрическите вериги, че да се прави снимка само когато и двата уреда едновременно подадат сигнал. Това означава, че една и съща частица е минала през тях и в камерата вече се е образувала нейната следа.

Много нови открития свързани с космически лъчи

Тази автоматика значително опрости изследванията и даде възможност да се направят много нови открития. Със своята камера Блякет, заедно с Окиалини, също видя позитрона, при това много по-лесно от Андерсън. Впоследствие тази апаратура бе използвана и за откриването на други частици. За своите оригинални приноси Патрик Блякет получи Нобеловата награда по физика за 1948 г.

Идеята да се използват два или повече брояча и да се отбелязват само случаите на тяхното едновременно задействуване принадлежи на немския физик Валтер Боте, ученик на Макс Планк. Неговият „метод на съвпаденията“, разработен в 1924 г. във Физикотехническия институт в Берлин, даваше възможност да се изолира електрическият импулс, породен само от една частица. Още в 1929 г. Боте го използва за изследване на космическите лъчи. В 1938 г. френският физик Пиер Оже, като постави няколко брояча в една линия, установи точно посоката, от която идват космическите лъчи, и откри широките атмосферни порои — потоци от вторични частици, които се пораждат в атмосферата от космически частици с висока енергия.

Макар и с известно закъснение, Валтер Боте стана Нобелов лауреат по физика през 1954 г., 30 г. след откритието си, за изследвания на космическите лъчи. Той раздели наградата с Макс Борн — друг ветеран, награден за теоретични разработки, направени също толкова отдавна.

През 1937 г. в космическите лъчи бе открита една нова частица, наречена мезон. Тя значително повиши интереса към теорията на Юкава за силните взаимодействия. Изследванията в тази насока бяха продължени през 1946 г. от английския физик Сесил Франк Пауел и неговите сътрудници Чилтън и Окиалини.

Метод за регистрация със специални фотоплаки

Тези учени изследваха космическите лъчи, използвайки нов метод за регистрация със специални фотоплаки с дебел емулсионен слой, в който се отбелязва следата на частицата. С този метод Пауел откри няколко вида мезони. Освен тежкия електрон на Андерсън, наречен мю-мезон, се доказа съществуването и на пи-мезоните.

Уточнените данни показаха, че мю-мезонът, чиято маса е 207 пъти по-голяма от електрона, е наистина само един тежък електрон, който не е свързан със силното взаимодействие. Квантите на това поле се оказаха пи-мезоните — частици, живеещи само една стомилионна от секундата, които не могат да се видят с камерата на Уилсън. Тяхната маса е около 270 пъти по-голяма от тази на електрона.

Фотографският метод на Сесил Пауел, който записваше следата на частицата директно във фотоемулсията, даде възможност да се докаже теорията за силното взаимодействие на Юкава. Британският учен стана Нобелов лауреат по физика през 1950 г. за въведения от него метод за изследване на частиците и за откриването на мезоните.

През последните години космическите лъчи интересуват предимно астрофизиците. Откритията в микросвета се правят с друга техника. Цената на изследванията обаче непрекъснато расте и небесният „ускорител за бедняци“ отново печели популярност. В състава на космическите лъчи се срещат частици с такава огромна енергия, каквато не може да даде никакъв земен ускорител. Наистина това става рядко и за такива изследвания е необходимо доста време. Но така могат да се получат нови неподозирани данни за микросвета.

Източник – Нобеловите награди. Учени и открития 1981