Космические лучи

Содержание

Введение 1

Теоретические сведения 3

Важнейшие этапы  в изучении космических лучей 3

Характеристики  космических лучей 5

Теорема Лиувилля 7

Классификация космических лучей 8

Солнечные космические  лучи 9

Галактические и метагалактические космические  лучи 13

Происхождение 13

Состав и  траектория 15

Энергетический  спектр 17

Вторичные космические  лучи 19

Взаимодействие  первичных космических лучей  с атмосферой 19

Частицы, составляющие вторичные космические лучи 22

Применение 24

Роль космических  лучей в ядерной физике и астрофизике 24

Роль космических  лучей в изучении дальнего и ближнего космоса 25

«Рентгеноскопия» 27

Радиоуглеродная датировка в археологии 29

Применение  космических лучей для связи 30

Список литературы 34

Введение

Конец XIX – начало XX века ознаменовались новыми открытиями в  области микромира. После открытия рентгеновских лучей и радиоактивности  были обнаружены заряженные частицы, приходящие на Землю из космического пространства. Эти частицы были названы космическими лучами (КЛ).

Датой открытия космических  лучей принято считать 1912 год, когда  австрийский физик В.Ф. Гесс с  помощью усовершенствованного электроскопа измерил скорость ионизации воздуха  в зависимости от высоты. Оказалось, что с ростом высоты величина ионизации  сначала уменьшается, а затем  на высотах свыше 2000 м начинает резко  возрастать. Ионизующее излучение, слабо  поглощаемое воздухом и увеличивающееся  с увеличением высоты, образуется КЛ, падающими на границу атмосферы  из космического пространства.

КЛ представляют собой  ядра различных элементов, следовательно, являются заряженными частицами. Наиболее многочисленны в КЛ ядра атомов водорода и гелия (~85 и ~10 % соответственно). Доля ядер всех остальных элементов таблицы Менделеева не превышает ~5 %. Небольшую часть КЛ составляют электроны и позитроны (менее 1 %).

В процессах, происходящих во Вселенной, КЛ играют важную роль. Плотность энергии КЛ в нашей Галактике составляет ~1 эВ/см3, что сравнимо с плотностями энергий межзвездного газа и галактического магнитного поля.

Средняя плотность энергии  первичных космических лучей  во всем объеме Галактики равна приблизительно 10-12 эрг/см3, что сравнимо с плотностью других видов энергий в Галактике: гравитационной, магнитной, кинетической энергий межзвездного газа. Таким  образом, в энергетическом балансе  нашей Галактики космические  лучи играют существенную роль.

Изучение космических  лучей имеет большое теоретико-прикладное значение, особенно для проблем космических  полетов, астрофизики высоких энергий, вопросов взаимодействия частиц и изучения их свойств. С использованием космического излучения связаны некоторые  методы в археологии, возможность «рентгеноскопии» массивных твердых объектов.

Для изучения космических  лучей широко используются методы и  приборы, разработанные ядерной  физикой. При этом хорошо известные  методы магнитного анализа импульсов  частиц и метод определения проникающей  способности излучений путем  исследования их поглощения в различных  веществах претерпевают очень интересную трансформацию. Магнитное поле Земли  служит естественным анализатором импульсов  космических частиц (так называемый метод «широтного эффекта»), а земная атмосфера – поглотителем. Явления, вызываемые какой-нибудь космической частицей очень высокой энергии в атмосфере иногда охватывают десятки квадратных километров, и для их регистрации приходится строить огромные установки. Для изучения космических лучей также широко распространено использование высокогорных станций, баллонов (воздушных шаров), спутников Земли, ракет, межпланетных и орбитальных станций.

Теоретические сведения

Важнейшие этапы в изучении космических  лучей

В 1929 г. советский физик  Д. В. Скобельцын применил для исследования космических лучей камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Такой метод исследования  дал возможность «увидеть», за счет ионизации, следы (треки) космических частиц, что дало неопровержимое доказательство гипотезы о том, что космические лучи состоят из заряженных частиц. Скобельцын обнаружил слабо изогнутые магнитным полем следы как отрицательно, так и положительно заряженных частиц. Кроме того, Скобельцын впервые обнаружил группы частиц с высокой энергией, получивших в дальнейшем название атмосферных ливней, образуемых космическими лучами.

Спустя 3 года американский физик К. Андерсон воспользовался усовершенствованным методом Скобельцына - он применил магнитное поле, в десять раз сильнее поля, применявшегося Скобельцыным и разделил камеру на две части свинцовой пластинкой. При прохождении через свинцовую пластинку частица замедляется, и ее путь искривляется магнитным полем сильнее. Таким образом, Андерсон получил фотографию частицы, траектория которой была изогнута в противоположную электронам сторону, при этом радиус кривизны и характер трека показали, что эта частица обладает массой электрона и положительным зарядом, равным заряду электрона. Эту частицу Андерсон назвал позитрон. А примерно семь лет спустя он же обнаружил аналог электрона, но с массой, в 207 раз большей, - мюон. Открытие новых частиц в составе космических лучей продолжалось и далее. В середине 40-х годов английский физик С. Пауэлл открыл новую ядерно-активную частицу - пион, а в конце 40-х годов в Англии Батлером (C.C. Batler) и Баркером (K.H. Barker) были открыты частицы, за свои необычные свойства получившие название странных, - К-мезоны и гипероны.

Большую роль в изучении космических лучей сыграл следующий  эксперимент: два счетчика А и В расположили по вертикали и включили в схему совпадений. Между ними поместили свинцовый фильтр. Эксперимент состоял в определении числа совпадений сигналов в счетчиках в зависимости от толщины фильтра. Были получены следующие результаты:

1 – уровень моря, 2 –  3200 м над уровнем моря.

Из графика видно, что  сначала при увеличении толщины фильтра число совпадений резко уменьшается, а затем после достижения 10 см изменение замедляется. Частицы, которые поглощаются в 10 см Pb назвали «мягкими», остальные – «жесткими». Дальнейшее изучение показало, что мягкая компонента состоит из электронов и позитронов вторичного происхождения, а жесткая компонента − из мюонов тоже вторичного происхождения. Масса мюона примерно в 200 раз больше массы электрона. Они поглощаются значительно медленнее, и расходуют основную часть энергии на ионизацию атомов.

Впоследствии с космическими лучами были проведены многие тысячи опытов несколькими поколениями физиков в разных странах мира. Опыты ставили на разных высотах в атмосфере Земли, стратосфере на шарах-зондах, на самолетах, на высотах гор, в подземных лабораториях и, наконец, вне атмосферы, на искусственных спутниках Земли.

В итоге было установлено, что

Космические лучи - это поток заряженных частиц высокой энергии, преимущественно протонов, приходящих к Земле приблизительно изотропно со всех направлений космического пространства.

Это определение относится  к первичным космическим лучам, то есть космическим лучам, не достигшим  атмосферы Земли.  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. Более подробно первичные, вторичные космические лучи, и их состав будут рассмотрены в разделе «Классификация».

Характеристики космических лучей

Важнейшей характеристикой  потока космического излучения является его интенсивность. Интенсивность  по заданному направлению  определяется, как число частиц с энергией в интервале от Е до Е+dE, пересекающих площадку единичного размера, ориентированную перпендикулярно направлению , в единицу времени и в единице телесного угла

J

Где , и - элементы площади, времени и телесного угла соответственно.

Кроме интенсивности часто  рассматривают поток частиц, определяемый как число частиц, проходящих через  единичную горизонтальную площадку в единицу времени

I(E)= J ,

И глобальную интенсивность

I⁰(E)= J .

В случае изотропии излучения  в верхней полусфере

I(E)= J₀(E)

Интересно отметить, каковы потоки частиц при различных энергиях. Так, при энергии ~10 ГэВ их поток  составляет 1 частицу на 1 м² в 1 сек, в ПэВ-ной области – 1 частица на 1 м² в 1 год, а при близких к максимальным энергиям, при нескольких ЕэВ, – 1 частица на 1 км² в 1 год.

При изучении движения космических  частиц в Галактике, где интенсивность  космических частиц постоянна в  обширных областях, иногда удобно ввести концентрацию частиц n(E)= J (E)/v, где v – скорость частиц. При изотропном распределении излучения

n(E)=4 J (E)/v.

Интегральная концентрация частиц с энергией выше Е

n(>E)=4 J (E)dE/v.

Часто рассматривают кинетическую энергию T=E-mc2. Плотность этой энергии

w=4 T J (E)dE/v.

Величина J(E)=dN/dE, т.е. интенсивность частиц в единичном энергетическом интервале при средней энергии Е, называется дифференциальным энергетическим спектром. Аналогично определяют импульсный спектр J (р)= dN/dр, который связан с энергетическим простыми преобразованиями. Пользуются также и представлением спектров в интегральной форме

J (>E)= J (E)dE.

Важной характеристикой  космического излучения является степень  его анизотропии, характеризуемая  коэффициентом анизотропии  . Если по некоторому направлению ₁ наблюдается максимум интенсивности J_макс( ₁), а по другому – минимум J_мин ( ₂), то

= ( J_макс( ₁) - J_мин ( ₂))/( J_макс( ₁) + J_мин ( ₂))

Теорема Лиувилля

При исследовании движения частиц в космическом пространстве решение задач иногда упрощается, если воспользоваться теоремой Лиувилля, доказываемой в статистической механике.

Каждую частицу можно  описать шестью переменными в  геометрическом и импульсном пространстве x, y, z, p_x, p_y, p_z. Теорема Лиувилля состоит в том, что плотность частиц в фазовом пространстве dVdp не меняется с течением времени:

n(r,p)=dn(r,p)/dVdp=const.

Обычно в космических  лучах измеряют интенсивность J, которая связана с плотностью частиц соотношением n(E)=4 J(E)/v. Тогда из теоремы Лиувиллся J (р) и J (р)dp=vp²n(r,p).

Если перейти к энергетической переменной E=pv, то J(p)dp=vp²n(r,p).

Если перейти к энергетической переменной Е=pv, то J(E)dE=J[p(E)](dp/dE)dE= J (p)(p/E)dE

Поэтому

J (E)=(p/E)vp²n(r,p)=p²n(r,p),

а следовательно

J(E)/p²=n(r,p)=const

вдоль любой траектории движения в фазовом пространстве.

Классификация космических лучей

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.

Первичные космические лучи по происхождению разделяют на:

- солнечные космические  лучи

- галактические космические  лучи

- метагалактические космические  лучи

Источником солнечных  космических лучей является наше Солнце. Источником галактических космических  лучей являются звезды, главным образом, так называемые сверхновые звезды нашей  Галактики. Метагалактические космические  лучи приходят к нам из других Галактик. Их интенсивность существенно меньше, чем галактических лучей, но они  содержат частицы очень большой  энергии.

Солнечные космические лучи

Солнечные космические лучи  - это поток заряженных частиц, ускоряемых до высоких энергий в верхней  части атмосферы Солнца во время  солнечных вспышек. Таким образом,  солнечные космические лучи проявляют себя эпизодически, после крупных хромосферных вспышек в период большой активности Солнца. Солнечные космические лучи регистрируются у Земли в виде внезапных резких повышений интенсивности космических лучей на фоне галактических космических лучей. Полученный из наблюдений верхний предел энергии частиц солнечных космических лучей эВ. Нижняя граница их энергии неопределенна ( эВ). Во время некоторых вспышек она опускается ниже 10⁵ эВ, то есть, по существу, смыкается с верхней границей энергии частиц солнечного ветра. Условно принятый нижний предел энергии солнечных космических лучей составляет 10⁵-10⁶ эВ.

Основную долю солнечных космических лучей составляют протоны с   эВ (~98%), заметную долю (~1.5% ) составляют ядра гелия, в очень малых количествах имеются также ядра с зарядом  и энергией E_K от 0,1 до 100 МэВ/нуклон, электроны с   кэВ (экспериментальный предел). Зарегистрированы заметные потоки дейтронов ²H, установлено наличие трития ³H. В некоторых вспышках генерируется значительное количество ядер редкого изотопа ³He. Относительное содержание ядер с   в основном отражает состав солнечной атмосферы, тогда как доля протонов меняется от вспышки к вспышке.

Протон – ядро атома водорода, элементарная частица, относящаяся к классу барионов (барионы -  семейство элементарных частиц: сильно взаимодействующие фермионы, состоящие из трёх кварков). Вместе с нейтроном протон входит в состав всех атомных ядер, определяя величину его электрического заряда. Масса протона m_р = 938.27 МэВ/с² ≈ 1.673·10^-24 г. Его спин (собственный момент импульса) 1/2ћ и поэтому он является фермионом (фермион – частица с полуцелым значением спина). Протон имеет положительный электрический заряд (равный по величине заряду электрона е) и магнитный момент μ_р = +2.79μ_N, где μ_N = ећ/2m_рс – ядерный магнетон (использована Гауссова система единиц). Если бы протон был бесструктурной точечной частицей, то его магнитный момент был бы близок к μ_N. Размер протона около 10^-13 см. Он состоит из трёх кварков: двух u-кварков и одного d-кварка, то есть его кварковая структура uud.  
Протон, являясь барионом, имеет барионное число В = +1. Закон сохранения барионного числа требует стабильности протона – самого лёгкого из барионов. Действительно, распад протона никогда не наблюдался и его время жизни τ_р > 2.1·10²⁹ лет и, по-видимому, даже превышает 10³² лет.  Протон является адроном, то есть участвует в сильном взаимодействии, как и во всех остальных.

Альфа-частица (или α-частица) – ядро атома гелия, состоящее из связанных вместе двух протонов и двух нейтронов. Обычно обозначается α или  , где верхний индекс - полное число протонов и нейтронов в ядре гелия, а нижний – число протонов. Альфа-частица имеет заряд +2е, где е – величина элементарного заряда, и обладает повышенной устойчивостью и плотностью. Она представляет собой сферически симметричный объект радиусом около 2·10^-13 см. Плотность материи и электрического заряда максимальна в центре альфа-частицы и спадает к её периферии. 
По распространённости в природе (около 9% всех ядер) ядра гелия уступают только ядрам водорода (около 90%). Масса альфа-частицы 4.0015 атомных единиц массы или 6.645·10^-27 кг. Энергия, необходимая для расщепления альфа-частицы на составляющие её протоны и нейтроны, около 28.3 МэВ (или 4.53·10^-13 Дж). Альфа-частицы самопроизвольно испускаются при распаде многих тяжёлых ядер. Возникающий при этом вид распада (радиоактивности) атомных ядер носит название альфа-распада или альфа-радиоактивности. Например, в результате взаимодействия ядра лития-6 с дейтроном могут образоваться две альфа-частицы: ⁶Li+²H=⁴He+⁴He.

Электрон – самая лёгкая отрицательно заряженная частица, составная часть атома. Электрон в атоме связан с центральным положительно заряженным ядром электростатическим притяжением. Он имеет отрицательный заряд е =1.602^.10^-19 Кл, массу m_е = 0.511 МэВ/с² = 9.11^.10^-28 г и спин 1/2 (в единицах ћ), т.е. является фермионом. Магнитный момент электрона μ_е>>μ_В, где μ_В = ећ/2m_ес – магнетон Бора (использована Гауссова система единиц), что согласуется с моделью точечноподобной бесструктурной частицы (согласно опытным данным размер электрона < 10^-17 см). В пределах точности эксперимента электрон стабильная частица. Его время жизни  
τ_е >4.6^.10²⁶ лет. 
Электрон принадлежит к классу лептонов, т.е. не участвует в сильном взаимодействии (участвует в остальных – электромагнитном, слабом и гравитационном). Описание электромагнитного взаимодействия электрона даётся квантовой электродинамикой – одним из разделов квантовой теории поля). У электрона имеется специальная характеристика, присущая лептонам, электронное лептонное число + 1.  
Античастицей электрона является позитрон е⁺ , отличающийся от электрона только знаками электрического заряда, лептонного числа и магнитного момента. 

Дейтро́н (дейто́н) — ядро изотопа водорода — дейтерия — с массовы числом A=2. Дейтрон состоит из 1 протона и 1 нейтрона. Стабилен. Не имеет возбуждённых состояний. Дейтрон является очень слабосвязанным ядром, его энергия связи равна лишь 2,22457 МэВ. Это единственное известное ядро, состоящее из двух нуклонов. Масса дейтрона равна 3,343 583 20(17)·10⁻²⁷ кг, или 1875,612 793(47) МэВ. Спин дейтрона равен 1, чётность положительна.

Дейтроны постоянно образуются в природе при захвате тепловых нейтронов свободными протонами  в водородсодержащих средах:

p + n → d + γ + 2,22 МэВ.

Однако бо́льшая часть всех дейтронов во Вселенной образовалась (в основном по этой же реакции) во время первичного нуклеосинтеза в первые несколько минут после Большого Взрыва.

Тритий (от греческого tritos - третий) T, или  , радиоактивный тяжелый изотоп водорода с массовым числом 3. Ядро атома трития - тритон с массой 3,016050 состоит из одного протона и двух нейтронов, энергия связи 8,1-8,4 МэВ. При b-распаде трития образуется легкий изотоп гелия:  . Период полураспада - 12,33 года; максимальная энергия излучения - 18,61 кэВ, средняя - 5,54 кэВ. Удельная активность трития 3,59 · 105 ГБк/г. При взаимодействии b -частиц трития с веществом возникает тормозное фотонное излучение, которое используют для количественного определения трития в различных средах.

Гелий-3 — самый лёгкий из изотопов гелия, один из двух его стабильных изотопов. Ядро гелия-3 (гелион) состоит из двух протонов и одного нейтрона. Атомная масса - 3,0160293191(26); избыток массы - 14 931,2148(24) кэВ, удельная энергия связи (на нуклон) - 2 572,681(1) кэВ, изотопная распространенность - 0,000137(3)%, период полураспада – стабильный, родительские изотопы - ³H (β⁻), спин и четность ядра -1/2⁺.

Природная изотопная распространённость гелия-3 составляет 0,000137 % (в атмосфере Земли). Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается в 35 000 тонн. Гелий-3 постоянно улетучивается из атмосферы в космос, и не появляется в процессах радиоактивного распада (за исключением распада космогенного трития). Бо́льшая часть гелия-3 на Земле сохранилась со времён её образования. Он растворён в мантии и постепенно поступает в атмосферу. Некоторая часть гелия-3 возникает при распаде трития, в реакциях скалывания на литии (под действием альфа-частиц и космических лучей), а также поступает из солнечного ветра. На Солнце и в атмосферах планет-гигантов первичного гелия-3 значительно больше, чем в атмосфере Земли. В лунном реголите гелий-3 постепенно накапливался в течение миллиардов лет облучения солнечным ветром.

http://ru.wikipedia.org/wiki/Гелий-3

Галактические и метагалактические  космические лучи

Происхождение

Основным источником космических  лучей считаются взрывы сверхновых звёзд. При каждом таком взрыве происходит расширение с огромной скоростью  оболочки звезды и возникают ударные волны в плазме, приводящие к ускорению заряженных частиц до энергий 10¹⁵ эв и выше. Главным экспериментальным доводом в пользу гипотезы происхождения космических лучей от взрывов сверхновых явилось впервые прямое радиоастрономическое наблюдение частично поляризованного радиоизлучения от Крабовидной туманности (1957), возникшей в результате взрыва в 1054 сверхновой, сравнительно близкой к Солнечной системе. Это излучение является синхротронным (магнитотормозным) — то есть излучением быстрых электронов в магнитных полях, «вмороженных» в потоки звёздной плазмы, выброшенной при взрыве этой сверхновой. Позднее удалось наблюдать магнитотормозное радиоизлучение и от других, более далёких туманностей, рожденных взрывами сверхновых. Дальнейшие наблюдения показали, что спектр магнитотормозного излучения электронов простирается до оптического, рентгеновского и даже γ-диапазонов, и это связано с очень высокими энергиями электронов (до 10¹² эв). Естественно, что наряду с электронами в расширяющихся оболочках сверхновых происходит интенсивное ускорение и тяжёлых заряженных частиц — протонов и ядер (однако вследствие своей большой массы они не испытывают заметных потерь энергии на излучение в магнитных полях). При этом, чем тяжелее ядро, тем благоприятнее могут быть начальные условия ускорения (так называемая инжекция): тяжёлые ядра могут находиться в не полностью ионизованном состоянии и поэтому сравнительно слабо отклоняться в магнитных полях, что облегчает их «утечку» за пределы плотной оболочки звезды (в которой магнитное поле велико). Если учесть среднюю частоту взрывов сверхновых в Галактике вообще (1 раз в 30—50 лет) и полное энерговыделение в каждом взрыве (10⁵¹—10⁵² эрг, или 10⁶³—10⁶⁴ эв) и предположить, что 1% этой энергии тратится на ускорение заряженных частиц, то можно объяснить как среднюю плотность энергии космических лучей (1 эв/см3), так и отсутствие заметных колебаний потока космических лучей.

Методами радиоастрономии  были зарегистрированы и ещё более мощные источники космических лучей (точнее, их электронной компоненты), находящиеся далеко за пределами нашей Галактики. Такими источниками являются, в частности, квазары - небесные объекты, имеющие сходство со звёздами по оптическому виду и с газовыми туманностями по характеру спектров, обнаруживающие, кроме того, значительные красные смещения (понижение частот электромагнитного излучения), ядра некоторых галактик, испытывающие резкое расширение взрывного типа, а также радиогалактики с характерными для них мощными выбросами вещества (сопровождающимися радиоизлучением в масштабе целых галактик).

Принципиально новые возможности  экспериментального изучения источников наиболее энергичной части спектра космических лучей (вплоть до энергий 10²⁰—10²¹ эв) открылись после обнаружения уникальных астрофизических объектов — пульсаров. По современным представлениям, пульсары — это небольшие (10 км в диаметре) нейтронные звёзды, возникшие в результате быстрого гравитационного сжатия (коллапса гравитационного) неустойчивых звёзд типа сверхновых. Гравитационный коллапс приводит к колоссальному увеличению плотности вещества звезды (до ядерной плотности и выше), магнитного поля (до 10¹³ гс) и скорости вращения (до 103 оборотов в сек). Всё это создаёт благоприятные условия для ускорения тяжёлых заряженных частиц до исключительно высоких энергий 10²¹ эв и электронов до энергий 10¹² эв. И действительно, наблюдения показали, что наряду с радиоизлучением пульсары испускают (с тем же периодом) световое, рентгеновское, а иногда и γ-излучение, которые можно объяснить только процессом магнитотормозного излучения очень быстрых электронов. Таким образом, синхротронное излучение электронов космических лучей, обусловленное сильными магнитными полями, локализованными вблизи неустойчивых «горячих» объектов — источников космических лучей, позволяет решать проблему происхождения космических лучей методами наблюдательной астрономии (радиоастрономии, рентгеновской астрономии, гамма-астрономии).      

Состав и траектория

Состав галактических  космических лучей описывается  следующим образом:

Ядерная компонента - ~90% протонов, ~10% ядер гелия, ~1% более тяжелых ядер.

Электроны (~1% от числа ядер).

Позитроны (~10% от числа электронов).

Позитрон – самая лёгкая элементарная частица с положительным электрическим зарядом, являющаяся античастицей по отношению к электрону. Массы и спины позитрона и электрона равны, а их электрические заряды и магнитные моменты равны по величине и противоположны по знаку. Позитрон (как и электрон) является фермионом, относится к классу лептонов (лептоны -  фундаментальные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии) и участвует в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях. В пустоте позитрон стабилен. Однако в веществе существует короткое время (10^-8–10^-6 с), поскольку, сталкиваясь с электроном, исчезает вместе с ним, превращаясь в два гамма-кванта.

e⁺ + e^- → 2γ.

Из тщательного сравнения  доли различных атомных ядер или, как говорят, массового состава  космических лучей с распространенностью  атомных ядер во Вселенной следует, что в космических лучах содержится значительно больше ядер лития, берилия и бора и больше тяжелых ядер с атомным номером Z > 20. По современным представлениям, большая доля тяжелых ядер связана преимущественно с особенностью источников космических лучей - сверхновых звезд. Увеличение же доли легких ядер в космических лучах связано с образованием в результате расщепления более тяжелых ядер при соударениях с ядрами атомов межзвездной среды.

Расчеты показали, что до прихода на Землю от источников частицы  космических лучей встречают  на своем пути в межзвездной среде  в среднем около 5 г вещества межзвездного газа. Время же прохождения частиц космических лучей через Галактику  ученые приблизительно оценивают в 10⁷ лет. Энергия частиц первичных космических лучей на границе атмосферы Земли весьма высокая, она превышает 10¹⁰ эВ. Это означает, что, двигаясь со скоростью, близкой к скорости света, до Земли способны дойти частицы, образованные даже в самых отдаленных от нас участках нашей Галактики.

Траектории частиц космических  лучей вследствие их соударений с  межзвездным газом и отклонением  заряженных частиц магнитными полями, имеющимися в Галактике, не прямолинейные, а скорее, имеют характер хаотического или, как говорят, броуновского движения подобно тому, как атомы газа диффузно распространяются в газовой же среде. При таком движении происходит интенсивное  перемешивание частиц от различных  источников и достигается наблюдаемая  на опыте независимость потока первичных  космических лучей от угла их падения  на Землю.

Важным обстоятельством  является присутствие в первичных  космических лучах небольшого числа  электронов (их доля около 1%). Попадая  в межзвездные магнитные поля, электроны испускают так называемое синхротронное излучение в результате своего движения вокруг силовых линий  магнитного поля под действием силы Лоренца. Такое излучение регистрируется в радиодиапазоне. В итоге радиоастрономических исследований разных участков Галактики  установлено, что первичные космические  лучи практически равномерно заполняют  всю Галактику и область галактического гало, а именно сферическую область  вокруг центра Галактики с радиусом R = RГалактики.

Самое же удивительное и  важное свойство первичных космических  лучей - это энергия составляющих их атомных ядер, для наиболее быстрых  из них достигающая огромной величины в 10²⁰ эВ. Таким образом, во Вселенной существуют такие активные объекты и области, которые оказались как бы гигантским естественным ускорителем атомных ядер.

Энергетический  спектр

На рисунке показан суммарный спектр “всех частиц” космических лучей (без разделения на компоненты). В спектре присутствуют следующие особенности: “колено” при Е = 3 ПэВ и “ступня” при Е > 1 ЕэВ.  В данном представлении спектра для наглядности шкала ординат – поток, умножена на коэффициент Е^2.75.

Потоки частиц резко уменьшаются  с увеличением энергии: при Е~10¹⁹ эВ наблюдается лишь ~1 частица, падающая на площадку в один км2 в год. Приведена шкала гирорадиусов (гирорадиус, ларморовский радиус - радиус вращения заряженной частицы вокруг магнитной силовой линии под действием силы Лоренца)  протонов в магнитном поле напряжённостью в 3 мкГс. При ультра-высоких энергиях >10¹⁹ эВ радиусы траекторий протонов должны превышать размеры нашей Галактики.

При энергиях за ПэВ-ной областью спектр становится более крутым (γ = 3.2) вплоть до энергий ~1 ЕэВ. При ещё больших энергиях в области “ступни” форма спектра становится неопределённой. Есть экспериментальные данные, свидетельствующие о более пологом наклоне (чем γ = 3.2) спектра, а есть данные, свидетельствующие о противоположном – о резком укручении спектра, то есть исчезновении частиц.

На следующем рисунке  показаны энергетические спектры ряда элементов ( протонов Н, ядер гелия Не, углерода С и железа Fe) – отдельных компонент космических лучей:

На данном рисунке представление  спектра ограничено ПэВ-ной областью энергий: для более высоких энергий пока нет данных о составе космических лучей. В спектре различных ядер при энергиях в 300-500 МэВ присутствует максимум. Это – так называемый модуляционный пик.

Вторичные космические лучи

Взаимодействие  первичных космических лучей  с атмосферой

Рассмотрим теперь, что  происходит с первичными космическими лучами, достигшими атмосферы Земли. Согласно концепции, разработанной  академиком Г.Т. Зацепиным в 1949 году, в атмосфере Земли атомные ядра первичных космических лучей, сталкиваясь с ядрами атомов воздуха, порождают новые элементарные частицы. Этот процесс получил название процесса множественного рождения частиц. Число рожденных частиц при каждом соударении растет при увеличении энергии налетающего ядра по закону N ~ lg E. При высоких энергиях, например при энергии 10¹⁵ эВ, величина N достигает нескольких десятков и даже сотен. Поскольку в первом акте соударения ядра первичного космического излучения с атомным ядром воздуха рождается сразу много вторичных ядерно-активных частиц, в основном пионов, среди которых есть нейтральные  ⁰ и заряженные  , ясно, что каждый из них по мере прохождения атмосферы Земли соударяется с ядром атомов воздуха, генерирует вторичные пионы, которые, в свою очередь, рождают третье поколение пионов и т.д.