КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ И ИХ СВОЙСТВА

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ И ИХ СВОЙСТВА
Камилжанов А.К.
Руководитель: Аманбаева Салтанат Перхановна, учитель физики
ОСШ имени М.Макатаева, 487870, Казахстан, ЮКО Сайрамский район, Аксукент
E-mail:[email protected]
Введение
Термин «космические лучи» возник в связи работами Гесса (1909г), исследовавшего
степень ионизации воздуха на различных высотах. Ещѐ задолго до этих опытов было
установлено, что воздух у поверхности Земли ионизируется. Ежесекундно в среднем в 1см 3
образуется 1 пара ионов. Возник вопрос о причине этой ионизации. Предположение, что
она вызывается излучением радиоактивных веществ, в частности радона, следы которого
могут находиться в воздухе, было отклонено, поскольку выяснилось, что ионизация
сохраняется неизменной и в том случае, когда сухой воздух помещен в замкнутый
сосуд, и находится там в течение промежутка времени, намного превосходящего
период полураспада радона. Выяснилось далее, что ионизация уменьшается, но не
исчезает полностью, когда замкнутый сосуд окружается слоем свинца толщиной
2,5см. Это подтвердило вывод, что источник ионизирующего излучения находится вне
замкнутого сосуда, а само излучение, подобно
лучам, способно проходить сквозь
значительные толщи свинца.
Чтобы выяснить, не являются ли источником этих лучей радиоактивные
вещества, находящиеся в Земле (в почве, в горных породах) Гоккель, а затем и Гесс,
произвели измерение интенсивности ионизации воздуха, заключенного в замкнутом
сосуде, при поднятии его на воздушном шаре до высоты 5000м. Предполагалось, что
если ионизация вызвана действием радиоактивного излучения, то по мере удаления от
Земли интенсивность этого излучения, а следовательно, и степень вызываемой ею
ионизации должны были бы убывать. Однако результаты измерения оказались
неожиданными. Уменьшение интенсивности ионизации наблюдалось только при подъѐме
на первые 1000м (да и это уменьшение оказалось меньше ожидаемого)при дальнейшем
подъѐме происходило не уменьшение, а увеличение интенсивности, и на высоте 5000м
ионизация оказалась в три раза большей, чем у поверхности Земли.
В результате этих исследований возникло убеждение, что ионизация воздуха у
поверхности Земли только частично вызывается ее радиоактивным излучением, частично
же она обусловлена действием сильно проникающих лучей внеземного происхождения,
приходящих на Землю из космоса. Эти лучи получили название космических лучей.
После опытов Гесса прошло свыше 50 лет, в течение которых производилось
интенсивное исследование космического излучения. В результате этого излучения
обнаружились совершенно неожиданные свойства природы, такие, как рождение
электропозитронных пар, их исчезновение, появление мезонов разных масс и их
взаимные превращения.
Свойства космического излучения.
В результате многочисленных экспериментов установлено, что космические лучи
приходят на поверхность Земли со всех сторон, причем не удалось обнаружить на
небесной сфере какую либо точку, или область, из которой приходило бы больше
космических лучей, чем из других, т.е., иными словами, невозможно указать во
Вселенной место, которое можно было бы назвать источником космических лучей.
В качестве меры интенсивности этого излучения принималась интенсивность
ионизации-количество пар ионов, возникающих в 1см 3 воздуха в секунду в результате
действия этого излучения, однако в последующем для измерения интенсивности
излучения стали применять счетчики Гейгера. Количество разрядов, возникающих в
счетчике Гейгера в секунду, принималось за меру интенсивности космических лучей.
263
Иными словами, в этом случае в качестве интенсивности космического излучения
применялась плотность потока частиц.
Важное значение для выяснения природы космического излучения имело изучение
изменения его интенсивности с высотой и его поглощения в различных средах.
Измерение интенсивности космических лучей на различных
высотах
производилось путем поднятия измерительной аппаратуры на самолѐтах, стратостатах,
специальными шарами–зондами. Наиболее полное исследование было произведено в
1947г с. помощью аппаратуры, размещенной в полости ракетного снаряда.
Интенсивность космического излучения измерялась по количеству разрядов в счетчике
Гейгера, которые передавались по радио и записывались на пленку наземной станции.
Снаряд
поднялся до высоты 161 км. На рис.1 приведена кривая, показывающая
результаты этих измерений. Из вида этой кривой следует, что интенсивность
космического излучения (плотность потока частиц) сравнительно быстро растѐт
примерно до высоты 10км над уровнем моря, а затем темп роста замедляется, и на
высоте 22 км интенсивность достигает максимального значения. При подъѐме на
большие высоты наблюдается уменьшение интенсивности космических лучей. Начиная с
высоты 60км, интенсивность космических лучей остается постоянной.
Рис.1. Зависимость интенсивности космических лучей от высоты над уровнем Земли
Оба указанный факта – постоянство интенсивности космического излучения на
больших высотах и наличие максимума интенсивности на высоте 22км – имеют
существенное значение для понимания природы космического излучения.
Первичные и вторичные космические лучи.
Термин «космические лучи» возник в результате предположения, что ионизация у
поверхности Земли и на небольших высотах от Земли ни обязана своим
происхождением действию лучей, пришедших из космического
пространства.
Скобельцын впервые показывал, что это не так, что лучи, производящие ионизацию у
поверхности земли, имеют в действительности земное происхождение.
Наблюдаемые вблизи поверхности Земли потоки заряженных частиц большой
энергии – «космические лучи» - имеют в действительности земное происхождение. Эти
частицы образовываются в результате взаимодействия с земными телами, в частности
с атмосферой Земли, каких-то других лучей, являющихся собственно космическими
лучами. Принято называть теперь лучи, приходящие непосредственно из космоса,
первичными космическими лучами; а лучи (потоки частиц большой энергии)
возникающие в результате взаимодействия первичных космических лучей с земной
атмосферой – вторичными космическими лучами. Почти вся ионизация у поверхности
264
земли, приписываемая
действию космических лучей, обусловлена
вторичными
космическими лучами.
То обстоятельство, что первичные космические лучи, взаимодействуют с земной
атмосферой и создают вторичные космические лучи, подтверждается ходом кривой,
выражающей зависимость интенсивности космического излучения от высоты. На
больших высотах, выше 50км интенсивность космического излучения (число
космических частиц) неизменна. На этих высотах мы имеем дело с первичным
космическим излучением.
Рис. 2. Диаграмма относительного количества частиц с различным зарядом в
составе космического излучения
Плотность атмосферы
на этих высотах столь мала, что взаимодействие
первичного космического излучения с веществом практически не происходит. По мере
приближения к поверхности Земли космически частицы все чаще и чаще вступают во
взаимодействие с атомами, находящимися в атмосфере. В итоге начинают зарождаться
вторичные частицы, их число постепенно растет. К высоте (над Землей) 22 км уже все
первичные космические частицы успевают «прореагировать» с земными атомами. Рост
числа частиц замедляется, а затем и приостанавливается. По мере дальнейшего
продвижения к поверхности Земли теперь уже вторичных частиц их число вследствие
поглощения уменьшается, и до поверхности Земли доходит сравнительно небольшое
количество вторичных частиц.
В настоящее время установлено, что первичные космические лучи представляют
собой поток ядер различных элементов. Подавляющая часть из них принадлежит ядрам
водорода и гелия.
Мягкая и жесткая компоненты вторичного космического излучения
Ионизация у поверхности
Земли возбуждается вторичными космическими
лучами. Росси (1931-1933) показал, что это лучи не однородны. Вывод был сделан на
основании исследования их поглощения в свинце.
265
Рис. 3. Опыт Росси
Опыты Росси явились продолжением опытов Боте и Кольхерстера, однако в
отличие от них Росси исследовал поглощение космического излучения не в слое
одной определенной толщины, а в широком диапазоне толщин, вплоть до 1 м. Для
выделения из общего потока излучения заряженных (ионизирующих) частиц Росси
пользовался телескопической системой, состоящие из трех гейгеровских счѐтчиков.
Между счетикамиz1, z2,z3 помещались свинцовые фильтры, общую толщину которых
можно было менять в пределах от 0 до 1м.
Росси обнаружил, что основная масса космических лучей поглощается сравнительно
быстро, т.е. фильтрами из свинца сравнительно малой толщины 5-10см. Зато другие
частицы оказались способны проходить свинцовый фильтр толщиной в 1м. Из этих
данных вытекает, что состав космического излучения сложен, и что космические лучи
состоят по крайней мере, из двух групп частиц. Первая из этих групп, состоящая из
частиц, поглощаемых свинцовым фильтром толщиной 5-10см, получила название
«мягкой компоненты» космического излучения, а вторая группа, содержащая частицы ,
способные проходить через свинцовый фильтр, превышающий 10 см , получила название
«жесткой компоненты» космического излучения.
Ливни, природа мягкой компоненты космического излучения
Рассмотрим прохождение в веществе-кванта с гигантской энергией, порядка
нескольких миллиардов электронвольт. При такой энергии кванта фотоэффект и эффект
Комптона играют очень малую роль. Основным эффектом является образование пар –
электрона и позитрона. Энергии каждой из этих частиц будут одинаковы и равны
половине энергии кванта. Направление движения электрона и позитрона совпадает
приблизительно с направлением движения кванта. Эффективное сечение для процесса
образования пар у квантов такой энергии довольно велико. В среднем, в воздухе на
пути 50 м квант превращается в пару частиц.
Однако, сами электроны и позитроны не могут пройти в воздухе путь, больший
300м. На этом пути в среднем каждая из частиц затормозится и излучит свою
энергию в виде кванта. Образующихся при торможении электронов и позитронов
кванты большой энергии распространяются в направлении первоначального движения
266
электрона. Эти-кванты, в свою очередь, через 40-50м образуют новую пару частиц.
Число быстрых частиц сделается равным четырем. Нетрудно представить себе и
дальнейшее: пройдя ещѐ несколько сотен метров, эти четыре частицы превратятся в
восемь частиц, затем число их дойдѐт до шестнадцати; тридцати двух и т.д.
Следовательно, процесс движения гамма квантов и быстрых электронов
сопровождается размножением частиц. По мере увеличения числа электронов и позитронов
(а также и квантов) энергия каждого из них уменьшается. Процесс размножения
продолжается до тех пор, пока энергия электронов не уменьшается до значения, при котором
ионизационные потери начнут превалировать над радиационными. В том случае электроны и
позитроны теряют свою энергию вследствие ионизации и процесс размножения частиц
прекращается. В воздухе размножение прекращается при энергии электронов в несколько
десятков мега электрон–вольт (МЭВ).
Число частиц, образованных в процессе размножения , зависит от первоначальной
энергии электрона. Чем больше эта энергия, тем больше число частиц будет образовано
электроном. Совокупность частиц, созданных в процессе размножения, принято называть
«ливнем». Ливневые частицы – электроны, позитроны – кванты – и представляют собой
мягкую компоненту космического изучения.
Жесткая компонента космического излучения
Ливневые частицы- электроны, позитроны и гамма кванты,- проходя через свинцовый
фильтр, размножаются и быстро теряют свою энергию. Поэтому космические частицы,
способные проходить через свинец толщиной в 1 м ( жесткая компонента), не могут быть ни
электронами, ни позитронами. Оказалось, что масса наблюденной частицы порядка 200
электронных масс. Частицы, имеющие массу, промежуточную между массой протона и
электрона были названы мезонами.
Жесткая компонента космического излучения и состоит из мезонов.
Мезоны оказались недолговечными образованьями. Они неустойчивы и распадаются.
Экспериментальное исследование интенсивности космических лучей
Для экспериментального исследования интенсивности космических лучей
использовали лабораторный индикатор ионизирующих излучений. Основным элементом
индикатора является счетчик Гейгера СТС – 5. При прохождении через счетчик Гейгера
космические лучи вызывают импульс который регистрируется в виде звукового сигнала.
Число звуковых сигналов за единицу времени. Таким образом мы имеем возможность
определить интенсивность космических лучей у поверхности Земли.
Таблица 1. Результаты измерений
№
Число импульсов
Время измерения
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Сред. значение
75
78
90
60
87
84
57
81
69
72
75,1
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
267
Интенсивность
им11/мин
25
26
30
20
29
28
19
27
23
24
25,1
Абсолютная
погрешность
0,1
0,9
4,9
5,1
3,9
2,9
6,1
1,9
2,1
1,1
2,9
Заключение
1. Используя лабораторный индикатор ионизирующих излучении можно определить
среднюю интенсивность космических лучей у поверхности Земли;
2 . По результатам проведенных экспертиз средняя интенсивность космических лучей у
поверхности Земли в районе с. Аксукена составляет 25,1 имп/мин.;
3. Относительная погрешности определения интенсивности космических лучей 11.6%.
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОБИТИЯ
ЛЕДЯНОЙ СФЕРОЙ ДЮРАЛЮМИНИЕВЫХ ПРЕГРАД
Лысанова А.А.
Научный руководитель: Орлов М.Ю., к.ф.-м.н., ст.н.с.
Национальный Исследовательский Томский государственный университет,
634050, г. Томск, пр. Ленина, 36, корп. 10
E-mail: [email protected]
Актуальность исследований
В настоящее время изучением свойств льда при динамическом нагружении занимаются
различные группы ученых-исследователей в РФ и за рубежом. Наша страна входит в пятерку
«ледовых» стран, поэтому постоянно существует необходимость в развитии северных
территорий (создание ледовых переправ и т.д.), увеличение добычи природных ископаемых
в районах вечной мерзлоты (разработка скважин на Крайнем Севере), а также отработка
ракетно-артиллерийского вооружения в ледяных пустынях Арктики и Антарктики. Ярким
примером служит 15 по счету пуск баллистической межконтинентальной ракеты «Булава» с
подводного крейсера тактического назначения «Юрий Долгорукий», который вначале был
отложен по причине сложной ледовой ситуации в Белом море осенью 2010 года. Известно,
что некоторые небесные тела могут полностью состоять изо льда, а вероятность их
столкновения с космическими аппаратами с каждым годом увеличивается. Тема
столкновения астероида с Землей была даже экранизирована в Голливуде. Актуальной
остается проблема весенних заторов на реках, длина которых может достигать 150 и более
километров.
Процессы, протекающие во льду при ударном и взрывном нагружении, остаются не
изученными. Основная сложность исследований была определена в прошлом веке в работах
Мальгрема, Канна, Маэно, Богородского, и заключается в том, что такой древнейший
природный материал как лед (сегодня известно более 15 его разновидностей) мало изучен в
условиях динамического нагружения. Это объясняется сложной внутренней структурой,
особенностями кристаллической решетки, аномальными пластическими свойствами,
многократными фазовыми переходами в процессе деформирования и т.д. С точки зрения
разрушения, поликристаллический лед, вообще может не иметь аналогов[1].
Физико-математическая модель, метод расчета и цель работы
Описание поведения льда при динамических нагрузках проводится с позиции
феноменологической макроскопической теории механики сплошных сред на основе
фундаментальных законов сохранения. Лед моделировался упруго-пластической, пористой,
сжимаемой средой с учетом свойств прочности, ударно-волновых явлений, а также
совместного образования отрывных и сдвиговых разрушений. Упруго–пластическое течение
задается уравнениями Прандтля – Рейса при условии текучести Мизеса. Уравнение
состояние выбрано в форме Уолша, основным достоинством которого является широкая
доступность фигурирующих в нем постоянных.
268