Question

宇宙射线与物质作用

Answer 1

奥地利物理学家V·F·赫斯1912年证实了宇宙射线的存在。宇宙射线是来自外层空间的高能射线，其中质子占90%以上，最高能量超过10²⁰eV以上。宇宙射线也是目前人类能够得到的来自遥远宇宙空间的物质样品，携带着丰富的宇宙信息。初级宇宙射线中包括从氢到(至少)铀的所有元素，其中C/O(碳/氧)比与太阳系的0.6值相比高出1.5倍。通过这些研究可以得到关于宇宙起源、演化和结构的知识。它与物质发生超高能相互作用，向我们提供了基本粒子的知识(但流强低，作用事件收集困难)。宇宙射线进入大气层与空气物质作用产生一系列产生核反应生成放射性核素，成为考古和近代地质构造研究的有效信息。次级宇宙射线穿过地表层与物质成分关系密切，有可能成为矿产勘查的新方法。

从发现宇宙射线到现在90多年，起源问题并不清楚。宇宙射线产生的⁹Be和¹⁰Be的相对丰度研究，说明现在观测到的宇宙射线粒子起源于大约2000万年以前，经历了长时间的漫长路程，受到银河星际磁场作用，沿磁力线带电粒子作螺旋运动，到达地球时轨道混杂。进入大气层的一些宇宙射线粒子的特性如表2-4-1所示。在上层大气中，初级宇宙射线通过高能散裂反应，产生次级质子和中子，是产生宇生放射性核素的初始射线。

20世纪40年代的一次太阳耀斑发生之后，地球上观测到宇宙射线有很大增强。经研究发现，太阳只发射低能(1～100MeV)宇宙射线；但太阳对直射地球的宇宙射线有很强的调制作用，与太阳活动的长周期(11a)和短周期变化有关。

表2-4-1 大气层中一些宇宙射线粒子特性

图2-4-1 1961～1993年三个太阳活动周期与⁷Be放射性变化关系

大气中N(氮)受宇宙射线中质子和中子作用：

+

→

+2

；

+

→

+

。生成⁷Be，在大气中与水汽等结合成气溶胶。取样(抽气成膜)测量⁷Be放出的γ射线(能量为0.47759MeV)，得到1961～1993年的观测结果(图2-4-1(b))，可见与太阳活动三个11年周期明显相关。因此通过⁷Be可以监测太阳活动。

表2-4-2 宇宙射线产生的放射性核素

图2-4-2 钻孔M介子望远镜测得的剖面图

(据L.Matmguist等，1979)

宇宙射线和大气以及地表物质作用，产生的宇生核素有放射性核素如表2-4-2所示。目前能够探测到的有10多种(也有新的稳定核素产生)，主要存在于大气、生物体和地表层物质之中。因此，这些放射性核素一直是用来作为考古和地质地表物理作用以及环境变化的示踪和确定年代的有效工具。如¹⁴C用作考古；⁷Be研究太阳暴；¹⁰Be和²⁶Al用作研究地表岩石的暴露史、侵蚀速率、冰碛物年龄、陨坑年龄和断层活动史，河流下切基岩抬升速度等。

到达地表的次生宇宙射线(主要是中子和质子)，穿入地层的深度也是指数规律衰减的。如地表层不太深处有对宇宙射线吸收的异常体，如含水层等，就有异常区域出现。

1979年L.Matmquist等进行一次找矿试验。选一个近似垂直的硫化铁矿体，厚5m，走向可以为无限延伸。在矿体下方，深50m、100m和300m打三个水平钻孔。将μ介子探测装置(由上下两块长条板状塑料闪烁体，中间夹一块吸收片制成的探测器)放入钻孔。沿钻孔进行测量，测得的剖面如图2-4-2所示，它清晰反映了矿体的吸收异常。

早在1970年，Alvarez等用类似的宇宙射线吸收法在埃及金字塔找出了未发现过的隐伏洞室。