|
PROMIENIOWANIE KOSMICZNE
Fizyka promieniowania kosmicznego narodziła się na początku XX wieku. Pierwszymi badaczami tego zjawiska byli Victor Hess oraz Robert Andrews Millikan. Ostatecznie promieniowanie kosmiczne zostało okryte w 1910 roku przez francuskiego fizyka Teodora Wulfa. Najwięcej odkryć w tej dziedzinie dokonano w latach 1925-1965, kiedy to odkryto wiele cząstek elementarnych takich jak: pozyton, hiperony, mezony i K, mion, itd. Wówczas promieniowanie kosmiczne stanowiło praktycznie jedyne źródło wysokoenergetycznych cząstek. Cząstki wchodzące w skład tego promieniowania mogą posiadać znacznie wyższe energie niż cząstki przyśpieszane w akceleratorach, dlatego też promieniowanie kosmiczne jest nadal wykorzystywane w eksperymentach fizyki wysokich energii. Dzięki promieniowaniu kosmicznemu możliwe jest badanie zjawisk przy energiach, jakich nie dałoby się osiągnąć w laboratoriach zbudowanych przez człowieka. Badając promieniowanie kosmiczne można się wiele dowiedzieć o budowie wszechświata, jego powstaniu, jak również o budowie i składzie cząstek elementarnych. Jednakże cząstki promieniowania kosmicznego nadlatują nieregularnie, z różnych kierunków i z różnymi energiami, co jest największym utrudnieniem w stosowaniu takich metod badawczych. Dlatego też buduje się coraz większe akceleratory o coraz większej mocy, dzięki którym będzie można dokładniej badać zdarzenia zachodzące z bardzo małymi prawdopodobieństwami.
Promieniowanie kosmiczne dociera do Ziemi z przestrzeni międzygwiezdnych. Jego głównymi źródłami są: centrum Galaktyki, otoczki gwiazd supernowych (np. mgławice planetarne) oraz obiekty pozagalaktyczne i Słońce. Są to głównie: protony, cząstki alfa, jądra cięższych pierwiastków, jak również elektrony, neutrony oraz kwanty gamma. (Gamma kwant, kwant?, wysokoenergetyczny foton pochodzący z przemian zachodzących w jądrze atomowym).
Pomimo, iż protony stanowią około 90% promieniowania pierwotnego, to do powierzchni Ziemi dociera ich zaledwie 0,04%. W wyniku oddziaływania tych cząstek z jądrami atomów znajdujących się w powietrzu atmosferycznym powstaje wiele nowych cząstek. Cząstki te nazywane są wtórnym promieniowaniem kosmicznym. Jedna cząstka promieniowania pierwotnego może spowodować powstanie setek, a nawet tysięcy cząstek promieniowania wtórnego. W promieniowaniu wtórnym obserwuje się w zasadzie wszystkie rodzaje cząstek elementarnych (protony, neutrony, miony, mezony, elektrony, neutrina oraz wiele innych). Kolejne oddziaływania wysokoenergetycznych cząstek i cząstek wtórnych tworzą w zależności od rodzaju padających cząstek tak zwane kaskady hadronowe i kaskady elektromagnetyczne. Ponadto w reakcjach jądrowych ze składnikami atmosfery powstaje wiele izotopów różnych pierwiastków chemicznych. Wytworzone przez promieniowanie kosmiczne izotopy promieniotwórcze stanowią składniki różnych form materii na Ziemi, w tym również organizmów żywych. Tworzą one przyczynek do tak zwanego opadu promieniotwórczego opadającego systematycznie na powierzchnię Ziemi.
Wtórne promieniowanie kosmiczne dochodzące do powierzchni Ziemi składa się głównie z mionów. Miony są to nietrwałe cząstki elementarne bardzo podobne do elektronów, ale ok. 200 razy cięższe. Miony są cząstkami bardzo przenikliwymi. Powstające w górnych warstwach stratosfery jako składnik wtórnego promieniowania kosmicznego, potrafią dotrzeć nawet kilkaset metrów pod powierzchnię Ziemi. Miony zostały odkryte w roku 1937 w promieniowaniu kosmicznym przez Carla Davida Anderson Powstają w atmosferze głównie z rozpadów innego typu cząstek elementarnych, głównie pionów i kaonów. Te z kolei powstają w zderzeniach cząstek pierwotnego promieniowania kosmicznego z atmosferą lub zderzeniach wtórnych cząstek powstałych w poprzednich zderzeniach.
Miony mają średni czas życia w spoczynku ok. 2*10-6 sekundy (2 mikrosekundy). Miony rozpadają się na elektrony lub pozytony i neutrina. Miony są bardzo przenikliwymi cząstkami (np. jeśli mają energię powyżej 5 miliardów elektronowoltów, mogą wniknąć ponad 10 metrów pod ziemię). Dzięki ładunkowi elektrycznemu można je łatwo rejestrować. Są to cząstki jonizujące.
Natężenie mionów na powierzchni wynosi ok. 200 cząstek na powierzchnię 1 metra kwadratowego w ciągu sekundy. Odpowiada to przejściu ok. 6 cząstek w ciągu sekundy przez głowę ludzką, co powoduje w głowie ok. 100 milionów jonizacji w ciągu sekundy. Jest to naturalne promieniowanie w naszym środowisku !!
Badania nad promieniowaniem kosmicznym.
Promieniowanie kosmiczne powoduje zwiększenie jonizacji powietrza z wysokością. Po raz pierwszy stwierdził ten fakt V.F Hess w 1912 roku (podczas lotu balonowego) i jego uważa się za odkrywcę promieniowania kosmicznego. Hipoteza, że jonizacja ta jest wynikiem promieniowania dochodzącego spoza atmosfery ziemskiej, wywołała sporo kontrowersji i dopiero przeprowadzone w latach 1923–26 doświadczenia R.K Milliakan całkowicie ją potwierdziły; Millikan też wprowadził nazwę promieniowanie kosmiczne. Pierwotnie do badania promieniowania kosmicznego stosowano komory jonizacyjne i licznik Gaigera-Mullera służące do rejestracji fotonów i cząstek naładowanych elektrycznie. W 1929 Dmitrij Skobielcyn, przy pomocy komory Wilsona umieszczonej w polu magnetycznym, odkrył powstawanie pęków promieniowania kosmicznego.
Jeszcze przed drugą wojną światową profesor Marian Mięsowicz planował badania promieniowania kosmicznego w kopalni soli w Wieliczce. Plany te pokrzyżowała wojna, ale nie przestał przygotowywać się do tego eksperymentu.. W roku 1947 zasugerował mi, abym przeprowadził szczegółowe obserwacje zachowania promieniowania kosmicznego na dużych głębokościach i poświęcił tym zagadnieniom pracę doktorską. W tym czasie Mięsowicz i Jurkiewicz zajmowali się konstrukcją liczników Geigera–Millera. Pamiętam, że istotną trudnością było opanowanie właściwego sposobu łączenia metalu ze szkłem. O tym problemie profesor Mięsowicz opowiedział włoskiemu profesorowi Amaldiemu, który poradził, aby użyć do tego celu kleju zwanego aralditem. Miał on jeszcze tę zaletę, że dodanie do niego sproszkowanego metalu zapewniało przewodzenie prądu elektrycznego. Zespół profesora Mięsowicza opanował szczelne zamykanie liczników Geigera–Millera i mogłem ich z powodzeniem używać do planowanych w kopalni w Wieliczce pomiarów.
(Rysunek przedstawia fotografię aparatury w takim zestawieniu, w jakim była używana w kopalni).
Nasz układ pomiarowy zwany „teleskopem” składał się z trzech liczników Geigera – Millera. Licznik środkowy 2 był większych rozmiarów niż liczniki 1 i 3. Cyfry na liczniku przeskakiwały wraz z koincydencji (przenikanie cząstki przez licnik G-M) wszystkich trzech liczników G-M przez cząstkę .Wszystkie używane w pomiarach liczniki G-M były napełniane zwykłą mieszaniną argon-etanol.
O istnieniu niejonizujacej składowej promieniowania można było wnioskować z porównania liczby impulsów w pojedynczym liczniku z liczbą koincydencji podwójnych i potrójnych w układzie pomiarowym dla tego samego kąta przestrzennego. W technice pomiarowej licznikami Geigera-Millera pojęcie cząstek jonizujących i niejonizujących łączy się z pojęciem wydajności licznika czyli z prawdopodobieństwem zarejestrowania cząstki, jaka przeszła przez objętość czynną licznika. Dla cząstek jonizujących liczniki miały wydajność zbliżoną do 1, natomiast dla promieniowania słabo jonizującego nie każda cząstka przechodząca przez licznik wywoływała w nim wyładowania.
CIEKAWOSTKA
Naukowcy uczestniczący w projekcie CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) przekonali się w warunkach laboratoryjnych, że promieniowanie kosmiczne może ponad 10-krotnie przyspieszyć tworzenie się w atmosferze drobnych cząstek, które mogą prowadzić do powstawania chmur.
Pokrywa chmur ma kluczowe znacznie dla ocieplenia atmosfery, chmury odbijają bowiem promieniowanie słoneczne. Te wyniki sugerują, że zgodnie z niektórymi teoriami, klimat może być więc ściślej powiązany z aktywnością słoneczną, bowiem silna aktywność naszej gwiazdy zmniejsza natężenie promieniowania kosmicznego i co za tym idzie ilość chmur w atmosferze. To prowadzi z kolei do silniejszego nagrzewania powierzchni Ziemi.
|
