ИЗУЧЕНИЕ УГЛОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

Как заказчик описал требования к работе:

ИЗУЧЕНИЕ УГЛОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ Цель работы – изучение свойств, состава космических лу-чей, взаимодействия их с атмосферой Земли и экспериментальное определение углового распределения интенсивности космиче-ских лучей. ВВЕДЕНИЕ Космические лучи – поток частиц высокой энергии, пр е-имущественно протонов и a-частиц, изотропно падающих на границу земной атмосферы из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденный ими путем взаимодействия с атомными ядрами атмосферы поток вторичных частиц высокой энергии сложного состава, главным образом электронов, нейтро-нов, гамма-квантов (g-квантов) и нейтрино. Среди первичных космических лучей различают высоко-энергетические (вплоть до 1021 эВ = 160 пДж) галактические кос-мические лучи, приходящие к Земле извне Солнечной системы, и солнечные космические лучи (с энергией 1021 эВ = 160 пДж), свя-занные с активностью Солнца. Существование космических лучей было установлено в 1912 г. австрийским физиком В.Ф. Гессом по производимой ими ионизации воздуха. Современные исследования проводятся с разнообразными детекторами в сочетании с фильтрами (из свин-ца, углерода, парафина и др.) и охватывают диапазон глубин от уровня моря до 3 км грунта и космических расстояний от Мерку-рия до Юпитера. Измерение энергии 1012–1015 эВ производится главным образом с помощью ионизационных калориметров. Энергии частиц первичных космических лучей, превышающие 1015 эВ, можно измерять лишь с помощью специальных устано-вок, позволяющих подсчитать поток энергии вторичных частиц (на уровне наблюдения), образующих так называемые широкие атмосферные ливни. Исследуются возможные источники косми-ческих лучей, механизмы ускорения частиц и т.п. В ядерно-физическом направлении изучаются взаимодействия космиче-ских лучей высокой энергии с веществом, генерация элементар-ных частиц и их свойства. Именно детальное изучение зарядов и масс частиц привело к открытию таких элементарных частиц, как позитрон, мюон, p- и K-мезоны, l-гиперон. Космические лучи еще долго будут оставаться уникальным источником частиц сверхвысокой энергии, поскольку в самых больших современных ускорителях пока еще достигнута энергия 1014 эВ. СОСТАВ ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ Поток космических лучей у Земли равен ~ 1 частице на 1 см2 в 1 с. Более 90 % частиц первичных космических лучей всех энергий составляют протоны, 7 % – a-частицы, и лишь неболь-шая доля (1 %) приходится на ядра более тяжелых элементов. Та-кой состав приблизительно соответствует средней распростра-нённости элементов во Вселенной с двумя существенными от-клонениями: в космических лучах значительно больше легких (Li, Be, B) и тяжелых ядер c Z ≥ 20. Согласно современным пред-ставлениям «обогащение» космических лучей тяжелыми ядрами является следствием более эффективного их ускорения в источ-нике по сравнению с легкими ядрами. А большое количество ядер Li, Be, B по сравнению со средней распространенностью связано с расщеплением тяжелых ядер при столкновении с ядра-ми межзвездной среды. Из наблюдаемого количества ядер легкой группы и изотопного состава ядер Be получены оценки расстоя-ния, проходимого космическими лучами в межзвездной среде (~ 3 г/см2), и времени жизни космических лучей в Галактике (~ 3 × 107 лет). В составе космических лучей имеются также элек-троны (1 %), обнаружение которых в 1961 г. в необходимом ко-личестве экспериментально подтвердило гипотезу о синхронной природе космического радиоизлучения. Благодаря этому появи-лась возможность исследовать космические лучи не только вбли-зи Земли, но и в удаленных областях Галактики с помощью ра-диоастрономических методов. Радиоастрономические данные по- казали, что космические лучи более или менее равномерно за-полняют всю Галактику. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР ПЕРВИЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В области малых энергий (до 1010 эВ) интенсивность косми-ческих лучей не является строго постоянной во времени и, кроме того, зависит от геомагнитной широты. Это объясняется тем, что на движение первичных космических лучей оказывают влияние магнитные поля, переносимые солнечной плазмой (так называе-мым солнечным ветром), а также магнитное поле Земли. Первый эффект имеет квазипериодический характер с периодом около 11 лет, причем интенсивность космических лучей может изме-няться в 2–3 раза. В этой же области энергий наблюдаются крат-ковременные возрастания интенсивности вспышки, обусловлен-ные генерацией космических лучей на Солнце. В годы минимума солнечной активности полная интенсивность космических лучей у границы атмосферы в неполярных широтах достигает 0,2 частиц на 1 см2 в 1 с в единице телесного угла. В области энергий 1010–1015 эВ интегральный энергетиче-ский спектр космических лучей, т.е. поток частиц с энергией вы-ше заданной, cпадает с ростом энергии по закону E–g с g = 1,7. При еще более высоких энергиях E > 3 × 1015 эВ спектр космиче-ских лучей претерпевает сравнительно небольшой и плавный из-лом (связанный, по-видимому, с ослаблением эффекта удержания частиц очень высоких энергий в Галактике) с ростом g до 2,0–2,2; при E ~ 3 × 1019 эВ спектр снова становится более пологим. СОЛНЕЧНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ Солнечные космические лучи в отличие от первичных га-лактических космических лучей наблюдаются эпизодически по-сле некоторых хромосферных вспышек. Частота появления сол-нечных космических лучей коррелирует с уровнем солнечной ак-тивности: в годы максимума солнечной активности регистриру- ется 10 событий в год с энергией частиц ~ 107 эВ, а в годы мини-мума – одно или не бывает вовсе. В солнечных космических лучах наблюдаются частицы с более низкими (по сравнению с галактическими космическими лучами) энергиями; энергии протонов обычно ограничиваются долями ГэВ, иногда достигают нескольких ГэВ. Интенсивность солнечных космических лучей падает с уменьшением энергии ча-стиц резче, чем интенсивность галактических космических лучей, причем показатель степени интегрального спектра изменяется от события к событию в пределах от 2 до 7. Верхний предел энергии солнечных космических лучей точно не установлен. Нижняя гра-ница регистрируемых частиц солнечных космических лучей со-ставляет десятки кэВ. В большинстве случаев состав солнечных космических лучей в интервале E ~ (1 – 3) × 107 эВ/нуклон соот-ветствует распространенности элементов на Солнце. Часто наблюдаются вариации в 2–3 раза относительно содержания ядер Не и Fе. Из данных по составу «легких» ядер, как в случае галак-тических космических лучей, получена оценка толщи вещества, проходимого солнечными космическими лучами в атмосфере Солнца, составляющая ≤ 0,2 г/см2. Это показывает, что ускорение частиц во время солнечной вспышки происходит не в глубине солнечной атмосферы, а в верхних ее слоях – короне или верхней хромосфере. В интервале E ≤ 107 эВ/нуклон потоки солнечных космических лучей часто обогащены тяжелыми ядрами, что ука-зывает на наличие преимущественно ускорения тяжелых ядер на Солнце в области малых энергий. Ускорение частиц на Солнце интенсивно исследуется благодаря наличию наблюдательных данных по спектрам и потокам солнечных космических лучей, полученных с ИСЗ и межпланетных автоматических станций, а также благодаря процессам, сопровождающим генерацию сол-нечных космических лучей (радиоизлучение, рентгеновское из-лучение). Интенсивность солнечных космических лучей различается от события к событию на несколько порядков величины, более интенсивные события наблюдаются, как правило, после сильных хромосферных вспышек. Изменения интенсивности связаны, очевидно, с разными условиями генерации и выхода из области ускорения. Наибольшее значение интенсивности измерено после вспышки 4 августа 1972 г., оно составило 7 × 104 частиц/см2×с для частиц с энергией, превышающей 107 эВ. Длительность возрастаний интенсивности солнечных кос-мических лучей составляет несколько суток для ~ 107 эВ и не-сколько часов для больших энергий. В начале возрастаний наблюдается анизотропия частиц вдоль силовых линий межпла-нетного магнитного поля. Значительный рост потока солнечных лучей вызывает до-полнительную ионизацию в ионосфере, обусловливая помехи и прекращение связи на коротких волнах. Интенсивные потоки солнечных космических лучей представляют радиационную опасность. ВАРИАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ. ГЕОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ Проникая в Солнечную систему, галактические космические лучи вступают во взаимодействие с межпланетным магнитным полем, которое формируется намагниченной плазмой, движу-щейся радиально от Солнца (солнечный ветер). В Солнечной си-стеме устанавливается равновесие между конвективными пото-ками космических лучей, выносимыми солнечным ветром нару-жу и потоком, направленным внутрь системы. Влияние межпла-нетного поля «чувствуют» частицы сравнительно небольших энергий Е < 1010 эВ, ларморовский радиус которых сравним с размерами неоднородностей межпланетного магнитного поля. Параметры гелиоcферы изменяются с изменением солнечной ак-тивности в течение 11-летнего цикла, и в галактических космиче-ских лучах наблюдается модуляция интенсивности, называемая 11-летней вариацией. Интенсивность космических лучей изменя-ется в противофазе с солнечной активностью. Амплитуда вариа-ций различна для различных энергий. Попадая в магнитное поле Земли, космические лучи отклоня-ются от первоначального направления вследствие действия на них силы Лоренца. На заданную широту вблизи Земли с данного направления проходят только частицы с энергией, превышающей некоторое пороговое значение. Этот эффект называется геомагнит-ным обрезанием. Отклоняющее действие геомагнитного поля про-является тем сильнее, чем меньше геомагнитная широта места наблюдения. Так, например, с вертикального направления на эква-тор попадают протоны только с энергией Е ≥ Епор ≈ 1,5 × 1010 эВ, на геомагнитную широту – с энергией Е ≥ Епор ≈ 2,5 × 109 эВ. Так как галактические космические лучи имеют падающий с ростом энергии спектр, на экваторе наблюдается меньшая интенсивность, чем на высоких широтах («широтный эффект»). ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ С ВЕЩЕСТВОМ При столкновении протонов и других ядер первичных кос-мических лучей с ядрами атомов земной атмосферы происходит частичное расщепление этих ядер и множественное рождение элементарных частиц, в основном p-мезонов (пионов) – заряжен-ных p+ и p– со временем жизни t ≈ 2,5 × 10–8 с и нейтральных p0 с t ≈ 0,8 × 10–16 с. С вероятностью в 5–10 раз меньшей рождаются K-мезоны (каоны), с еще меньшей (~ 1 %) – гипероны и антипротоны, с пренебрежимо малой вероятностью – электроны и мюоны. Для понимания общей картины образования вторичных космических лучей и прохождения через атмосферу необходимо рассматривать каскад последовательных распадов и взаимодей-ствий рождающихся пионов и каонов вместе с быстрыми нукло-нами, сохраняющими часть той энергии, которую они имели до взаимодействия с ядрами вещества (рис. 23). Вторичные нуклоны в процессе столкновений с атомными ядрами атмосферы рождают новые пионы и каоны. Заряженные пионы и частично каоны, распадаясь, образуют мюоны к нейтри-но, давая начало проникающей компоненте вторичных космиче-ских лучей. Благодаря тому, что мюоны при энергиях ≤ 1012 эВ теряют энергию в основном на ионизацию атомов вещества

подробнее

Заказчик
заплатил

200 ₽

Заказчик не использовал рассрочку

Гарантия сервиса
Автор24

20 дней

Заказчик принял работу без использования гарантии

29 мая 2020

Заказ завершен, заказчик получил финальный файл с работой