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宇宙射線實(shí)時探測（低溫?cái)U(kuò)散云室）
閱讀：2759 發(fā)布時間：2017-9-17【知識拓展】
1912年，德國家韋克多·漢斯帶著電離室在乘氣球升空測定空氣電離度的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)電離室內(nèi)的電流隨海拔的升高而變大，從而認(rèn)定電流是來自地球以外的一種穿透力強(qiáng)的射線所產(chǎn)生的，于是有人為之取名為“宇宙射線”。
宇宙射線主要是有質(zhì)子、氦核、鐵核等裸質(zhì)子核組成的高能粒子流，也含有少量中性的γ射線和穿過地球的中微子流，由于星際磁場和星際介質(zhì)的影響，宇宙線粒子在星際空間中經(jīng)歷著復(fù)雜的傳播過程，這些帶電粒子受磁場影響而改變其原本方向。星際磁場就像一個攪拌機(jī)，將宇宙線粒子攪拌得向同性。其中一些zui終穿過，大氣層到達(dá)地球。這里要指出的是，直接探測宇宙線必需在大氣層外進(jìn)行，用衛(wèi)星或在宇宙空間站上進(jìn)行探測。因?yàn)槌形⒆油猓鈦淼母吣苡钪嫔渚€在穿過大氣層時要與大氣中的氧氮原子核發(fā)生碰撞，并使其失去zui初的身份而轉(zhuǎn)化出次級宇宙線粒子。1938年法國物理學(xué)家俄歇發(fā)現(xiàn)這些高能宇宙線的次級粒子又將有足夠能量產(chǎn)生下一代粒子，如此下去，就會在地面產(chǎn)生由電磁級聯(lián)形成的μ子、電子、正電子以及γ射線粒子的組合物，這就是所謂的“廣延大氣簇射”。正是廣延大氣簇射提供給我們另一種探測宇宙線的手段——測量宇宙線和大氣相互作用產(chǎn)生的次級粒子，即所謂間接探測。我國西藏羊八井宇宙射線觀察站就是利用廣延大氣簇射對宇宙線進(jìn)行探測。依據(jù)原初宇宙線的能量大小和大氣簇射產(chǎn)生粒子數(shù)目相關(guān)的原理，即原初能量越高，次級粒子數(shù)目越多，這樣就可根據(jù)探測到的次級粒子的數(shù)目來推知原初粒子能量。
從人類探測到的數(shù)據(jù)可知，宇宙線的的能量約從109電子伏特到1020電子伏特，而迄今，人造粒子加速器的zui高能量約為1013電子伏特。也就是說宇宙線源這個高能加速器的能量是北京正負(fù)電子對撞機(jī)的一百億倍。家們困惑，天體上什么機(jī)制能使粒子1020電子伏特的這樣高的能量。今天，人類雖然不能說出宇宙射線是由什么地方產(chǎn)生的，但它們償?shù)貫榈厍驇砹巳盏乜臻g環(huán)境的寶貴信息。宇宙線是至細(xì)至微的物質(zhì)粒子，但其揭示和反應(yīng)的卻是zui宏大的宇宙的信息。
【原理解析】
啟動演示裝置后，在云霧室里產(chǎn)生一個足夠大的溫度梯度，使蒸汽（酒精）連續(xù)不斷地由高溫處向低溫處擴(kuò)散，并在低溫處產(chǎn)生蒸汽的過飽和狀態(tài)。當(dāng)帶電粒子射入蒸汽的過飽和層時，則會與蒸汽分子碰撞產(chǎn)生電離，蒸汽分子失去電子而形成正離子，而失去的電子被其它氣體分子俘獲形成負(fù)離子，過飽和的蒸汽分子被吸附在正負(fù)離子上，以這些電離的離子為凝結(jié)中心，凝成一連串小液滴，有側(cè)面光照時，這些小液滴對光有散射作用，這樣從暗背景中便能觀察到明亮的粒子徑跡。