Реферат: Космические составляющие и излучения
Реферат на тему
Космическиесоставляющие и излучения.
Автор Студентка ПГПИ
Студентка
Рыбова Е.Н.
<span Arial",«sans-serif»; color:black"><img src="/cache/referats/21744/image001.gif" v:shapes="_x0000_i1025">
<span MS Sans Serif",«serif»;color:black">Межпланетноепространство далеко не пустое. Оно содержит электромагнитное излучение(фотоны), горячую плазму (электроны, протоны и другие ионы) — солнечный ветер,космические лучи, микроскопические частицы пыли и магнитные поля (прежде всегоСолнца).
В то время как излучение Солнца очевидно, другие компоненты межпланетной средыне были обнаружены до недавнего времени.
Температура межпланетной среды составляет приблизительно 100 000 K, ееплотность — примерно 5 частиц на кубический см в пределах Земли и уменьшаетсяобратно пропорцианально квадрату расстояния от Солнца. Необходимо отметить, чтоплотность межпланетной среды — переменная величина, она может доходить и до 100частиц на кубический см.
За исключением пространств в непосредственной близости к некоторым из планет,межпланетный космос заполнен магнитным полем Солнца. Взаимодействия с солнечнымветром очень сложны.
Некоторые планеты (например, Земля, Юпитер) имеют свои собственные магнитныеполя. Они создают меньшие магнитосферы, которые доминируют над влиянием Солнцав пределах границ этих планет. Магнитосфера Юпитера очень большая, онапростирается более чем на миллион км во всех направлениях от него. МагнитосфераЗемли намного меньше и простирается только на несколько тысяч км, но оназащищает нас от очень опасных воздействий солнечного ветра.
Cолнечный ветер оказывает непосредственное воздействие на поверхностьнемагнитных тел, таких, как Луна. Cамые высоко-энергетические частичымежпланетной среды называются космическими лучами. Некоторые из них имеютсолнечное происхождение, но наиболее энергетические приходят из внешнегокосмоса.
Взаимодействие солнечного ветра, магнитного поля Земли и верхних слоеватмосферы Земли вызывает полярные сияния. Другие планеты со значительнымимагнитными полями (например, Юпитер) также имеют подобные эффекты
Метеорные тела -
мелкие тела, движущиеся в межпланетном пространстве, размеры которых непревышают нескольких десятков метров в поперечнике. Мельчайшие из М.т. (космическаяпыль) очень многочисленны, поэтому земная атмосфера играет роль«панциря», защищающего Землю от космической пыли: мельчайшие из М.т.в основном задерживаются в верхних слоях атмосферы на высоте от 80 от <st1:metricconverter ProductID=«200 км» w:st=«on»>200 км</st1:metricconverter>. Масса М.т. редкопревышает несколько граммов, хотя встречаются тела с массой, составляющей дажемиллионы тонн. Некоторые из М.т., вторгающихся в земную атмосферу, порождаютявление метеоров (для этого скорость частицы, влетающей в атмосферу должна бытьболее 20 км/с). Чем больше масса М.т., тем на большую глубину в атмосферу Землионо может проникнуть — вплоть до выпадения в виде осколков на поверхность.
. Если же в атмосферу влетаеткусок побольше, например размером с кулак, и притом не с самой большойскоростью, — атмосфера может сработать как тормоз и погасить космическуюскорость, прежде чем кусок полностью сгорит. Тогда его остаток упадёт наповерхность Земли. Это и есть метеорит. Падение метеорита сопровождаетсяполётом по небу огненного шара и громоподобными звуками, сам светящийся шар частоназвают болидом. Такие явления мало кому доводилось наблюдать.
Классификациятуманностей.
Газовыетуманности.
<span Verdana",«sans-serif»; color:black">Огромные межзвездные облака из светящихся разреженных газовполучили название газовых диффузных туманностей. Одна из самых известных — туманность в созвездии Ориона, которая видна даже невооруженным глазом околосредней из трех звездочек, образующих «меч» Ориона. Газы, ееобразующие, светятся холодным светом, переизлучая свет соседних горячих звезд.В состав газовых диффузных туманностей входят главным образом водород,кислород, гелий и азот. Такие газовые или диффузные туманности служат колыбельюдля молодых звезд, которые рождаются так же, как некогда родилась нашаСолнечная система. Процесс звездообразования непрерывен, и звезды продолжаютвозникать и сегодня.
В межзвездном пространстве наблюдаются также диффузные пылевые туманности. Этиоблака состоят из мельчайших твердых пылинок. Если вблизи пылевой туманностиокажется яркая звезда, то ее свет рассеивается этой туманностью и пылеваятуманность становится непосредственно наблюдаемой (рис. 1). Газовые и пылевыетуманности могут вообще поглощать свет звезд, лежащих за ними, поэтому наснимках неба они часто видны как черные зияющие провалы на фоне Млечного Пути.Такие туманности называют темными. На небе южного полушария есть одна оченьбольшая темная туманность, которую мореплаватели прозвали Угольным мешком.Между газовыми и пылевыми туманностями нет четкой границы, поэтому часто онинаблюдаются совместно как газопылевые туманности.
Диффузные туманности являются лишь уплотнениями в той крайне разреженноймежзвездной материи, которая получила название межзвездного газа. Межзвездныйгаз обнаруживается лишь при наблюдениях спектров далеких звезд, вызывая в нихдополнительные линии поглощения. Ведь на большом протяжении даже такойразреженный газ может поглощать излучение звезд. Возникновение и бурноеразвитие радиоастрономии позволили обнаружить этот невидимый газ по темрадиоволнам, которые он излучает. Огромные темные облака межзвездного газасостоят в основном из водорода, который даже при низких температурах излучаетрадиоволны на длине <st1:metricconverter ProductID=«21 см» w:st=«on»>21 см</st1:metricconverter>.Эти радиоволны беспрепятственно проходят сквозь газ и пыль. Именнорадиоастрономия помогла нам в исследовании формы Млечного Пути. Сегодня мы знаем,что газ и пыль, перемешанная с большими скоплениями звезд, образуют спираль,ветви которой, выходя из центра Галактики, обвивают ее середину, создавая нечтопохожее на каракатицу с длинными щупальцами, попавшую в водоворот.
В настоящее время огромное количество вещества в нашей Галактике находится ввиде газопылевых туманностей. Межзвездная диффузная материя сконцентрированасравнительно тонким слоем в экваториальной плоскости нашей звездной системы.Облака межзвездного газа и пыли загораживают от нас центр Галактики. Из-заоблаков космической пыли десятки тысяч рассеянных звездных скоплений остаютсядля нас невидимыми. Мелкая космическая пыль не только ослабляет свет звезд, нои искажает их спектральный состав. Дело в том, что когда световое излучениепроходит через космическую пыль, то оно не только ослабляется, но и меняетцвет. Поглощение света космической пылью зависит от длины волны, поэтому извсего оптического спектра звезды сильнее поглощаются синие лучи и слабее — фотоны, соответствующие красному цвету. Этот эффект приводит к явлениюпокраснения света звезд, прошедших через межзвездную среду.
Туманности,излучающие свет
Межзвездные облака в основном состоят из водорода. Вглубинах космоса они слишком холодны, чтобы светиться. Но иногда водородноеоблако окружает горячую звезду. И тогда туманность предстает перед нами в видеоблака раскаленного газа. Звезда разогревает водород до тех пор, пока он неначинает светиться розоватым светом. В Большом Магеллановом облаке находитсяогромная самосветящаяся туманность, излучающая розовый свет.
Туманности,поглощающие свет.Межзвездное облако может оказатьсячересчур холодным для того, чтобы излучать свет. И даже наоборот: холодноеоблако может поглощать свет ярких объектов (например, звезд), находящихся заним. В этом случае мы видим его как темный силуэт на светлом фоне.«Угольный мешок», темное пятно в южной части Млечного Пути — этовидимая невооруженным глазом туманность, поглощающая свет.
Туманности,отражающие свет.Иногда холодное облако в космическом пространствеможет оказаться видимым из-за того, что пыль, из которой оно состоит, отражаетсвет ближайших звезд. Пыль образует ажурную отражающую туманность вокруг самыхярких звезд скопления под названием Плеяды. Туманности, отражающие свет, нафотографиях выглядят голубыми.
Характеристики и виды излучений.
Несомненно. вопросы защиты отионизирующих излучений (радиационная безопасность) превращаются в одну изважнейших проблем.
Радиация (от латинскогоradiatio — излучение) характеризуется лучистой энергией. Ионизирующимизлучением (ИИ) называют потоки частиц и электромагнитных квантов, образующихсяпри ядерных превращениях, т.е. в результате радиоактивного распада. Чаще всеговстречаются такие разновидности ионизирующих излучений, как рентгеновское игамма-излучения, потоки альфа-частиц, электронов, нейтронов и протонов.Ионизирующее излучение прямо или косвенно вызывает ионизацию среды, т.е.образование заряженных атомов или молекул — ионов.
Альфа-частицы
Альфа-частицы представляютсобой положительно заряженные ядра атомов гелия. Эти частицы испускаются прирадиоактивном распаде некоторых элементов с большим атомным номером, в основномэто трансурановые элементы с атомными номерами более 92. Альфа-частицыраспространяются в средах прямолинейно со скоростью около 20 тыс. км/с,создавая на своём пути ионизацию большой плотности. Альфа-частицы, обладаябольшой массой, быстро теряют свою энергию и поэтому имеют незначительныйпробег: в воздухе — 20-<st1:metricconverter ProductID=«110 мм» w:st=«on»>110 мм</st1:metricconverter>,в биологических тканях — 30-<st1:metricconverter ProductID=«150 мм» w:st=«on»>150 мм</st1:metricconverter>, в алюминии — 10-<st1:metricconverter ProductID=«69 мм» w:st=«on»>69 мм</st1:metricconverter>.
Бета-частицы
Бета-частицы — это потокэлектронов или позитронов, обладающий большей проникающей и меньшейионизирующей пособностью, чем альфа-частицы. Они возникают в ядрах атомов прирадиоактивном распаде и сразу же излучаются оттуда со скоростью, близкой кскорости света. При средних энергиях пробег бета-частиц в воздухе составляетнесколько метров, в воде — 1-<st1:metricconverter ProductID=«2 см» w:st=«on»>2 см</st1:metricconverter>, в тканях человека — около <st1:metricconverter ProductID=«1 см» w:st=«on»>1 см</st1:metricconverter>, в металлах — <st1:metricconverter ProductID=«1 мм» w:st=«on»>1 мм</st1:metricconverter>.
Рентгеновское излучение
Рентгеновское излучениепредставляет собой электромагнитное излучение высокой частоты и с короткойдлиной волны, возникающее при бомбардировке вещества потоком электронов.Важнейшим свойством рентгеновского излучения является его большая проникающаяспособность.
Гамма-излучение
Гамма-излучение относится кэлектромагнитному излучению и представляет собой поток квантов энергии,распространяющихся со скоростью света. Они обладают более короткими длинамиволн, чем рентгеновское излучение. Гамма-излучение свободно проходит через телочеловека и другие материалы без заметного ослабления и может создаватьвторичное и рассеянное излучение в средах, через которые проходит.Интенсивность облучения гамма-лучами снижается обратно пропорционально квадратурасстояния от точечного источника.
Нейтронное излучение
Нейтронное излучение — этопоток нейтральных частиц. Эти частицы вылетают из ядер атомов при некоторыхядерных реакциях, в частности, при реакциях деления ядер урана и плутония.Вследствие того, что нейтроны не имеют электрического заряда, нейтронноеизлучение обладает большой проникающей способностью. В зависимости откинетической энергии нейтроны условно делятся на быстрые, сверхбыстрые,промежуточные, медленные и тепловые. Нейтронное излучение возникает при работеускорителей заряженных частиц и реакторов, образующих мощные потоки быстрых итепловых нейтронов. Отличительной особенностью нейтронного излучения являетсяспособность превращать атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы,что резко повышает опасность нейтронного облучения.
Видыкосмического излучения.
До 40-х годов нашего столетия почти всесведения о небесных телах были получены с помощью оптического методаисследования. Дело в том, что атмосфера Земли пропускает толькоэлектромагнитные волны длиной от 0,3 мкм до нескольких микрометров и ещерадиоволны от нескольких сантиметров до десятков метров, Для остальной частишкалы электромагнитных волн атмосфера непрозрачна, Между тем во Вселеннойизлучаются электромагнитные волны всех диапазонов — от радиоволн догамма-излучения.
Космическое радиоизлучениевпервые было обнаружено в 30-х годах при изучении грозовых помех, В 40-х-50-хгодах начались поиски и изучение источников космического радиоизлучения, Дляэтой цели использовали радиолокаторы, затем начали строить радиотелескопы согромными чашеобразными антеннами и чувствительными приемниками излучения·Быстрое развитие радиоастрономии привело к целому ряду важнейших открытий,
Было обнаружено, чтонейтральный холодный водород, который составляет основную массу межзвездногогаза и в оптическом диапазоне невидим, испускает монохроматическоерадиоизлучение с длиной волны <st1:metricconverter ProductID=«21 см» w:st=«on»>21 см</st1:metricconverter>, Это помогло изучить распределение водорода в нашейзвездной системе — Галактике, включая даже далекие области, закрытые пылевымиоблаками, которые, однако, для радиоволн прозрачны.
Далее были открыты галактики,мощность радиоизлучения которых в миллионы раз больше, чем у нашей галактики(их назвали радиогалактиками)· Оказалось, что такое мощное радиоизлучение имеетнетепловую природу, Оно вызвано гигантскими взрывами, при которых выбрасываютсяогромные массы вещества, в миллионы раз большие массы Солнца. Выброшенные привзрыве быстро летящие заряженные частицы в межзвездном магнитном поле движутсяпо криволинейным траекториям, т. е. сускорением. Ускоренное же движение заряда сопровождается излучениемэлектромагнитных волн. Это нетепловое излучение называют магнитотормозным илисинхротронным (оно наблюдается в синхротронах-ускорителях заряженных частиц).Изучение синхротронного излучения дает ценные сведения о движении потоковкосмических частиц и о межзвездных магнитных полях, Обычно излучаютсярадиоволны, но если частицы движутся с очень большими скоростями или вдостаточно сильном магнитном поле, то они испускают видимое, ультрафиолетовое идаже рентгеновское излучение.
Для регистрации космическогоизлучения, от инфракрасного до рентгеновского, очень широко используетсяфотографический метод. Кроме того, в качестве приемников излучения применяютсятермопары, термосопротивления, а также фотоэлектрические устройства, принципдействия которых рассматривается в следующей главе.
Как отмечалось выше, атмосферасильно поглощает коротковолновое излучение, До поверхности Земли доходит толькоближнее ультрафиолетовое излучение, да и то сильно ослабленное· Поэтомукоротковолновое космическое излучение можно изучать только с помощью ракет испутников, Такие исследования позволили изучить ультрафиолетовую областьспектра Солнца, а также исследовать очень горячие звезды с температурой до 30000 К, сильно излучающие в ультрафиолетовой области.
Поскольку температурасолнечной короны составляет около 10" К то в соответствии с законами теплового излучения корона должна быть источникомрентгеновского излучения. Первые же опыты с помощью ракет подтвердили это,Оказалось, что рентгеновское излучение Солнца непостоянно. При хромосферныхвспышках наблюдаются всплески рентгеновского излучения. Это объясняется тем,что выброшенные при вспышке быстро летящие электроны испускают рентгеновскоеизлучение при столкновении с другими частицами солнечной атмосферы, а также приторможении в сильном магнитном поле активных областей (синхротронноеизлучение), Заметим, что рентгеновское излучение Солнца — важнейший источникионизации верхнего слоя атмосферы Земли — ионосферы,
С помощью космических аппаратов было обнаруженорентгеновское излучение различных далеких объектов (ядер галактик, нейтронныхзвезд и др.
КОСМИЧЕСКИЕЛУЧИ
Исследованиякоторые сейчас можно с удобствами производить в космосе, доказывают, что нанашу Землю непрерывно падает поток ядерных частиц, движущихся со скоростями,практически равными скорости света, Их энергия лежит в пределах 10^8-10^20 эВ·Энергия порядка 10^20 эВ превосходит на восемь порядков энер-гпи, которые можносоздать в самых мощных ускорителях!
В основномпервичные космические лучи состоят из протонов (около 90%); кроме протонов вних присутствуют и более тяжелые ядра· Разумеется, сталкиваясь с другими молекулами,атомами, ядрами, кос-мические лучи способны создать элементарные частицы всехтипов, Но астрофизиков интересует первичное излучение· Как создаются потокичастиц, обладающих такой энергией? Где лежат источники этих частиц?
Достаточнодавно было доказано, что не Солнце является основным источником космическогоизлучения· Но если так, то ответственность за создание космических лучей нельзяпереложить и на другие звезды, поскольку в принципе они ничем не отличаются отСолнца· Кто же виноват?
В нашей Галактикесуществует Крабовидная туманность, которая образовалась в результате взрывазвезды в <st1:metricconverter ProductID=«1054 г» w:st=«on»>1054 г</st1:metricconverter>,(не надо забывать что ученые следят
за звездным небом не одну тысячу лет), Опыт показывает,что она является источником радиоволн и источником космических частиц· Этосовпадение дает разгадку огромной энергии космических протонов· Достаточнодопустить, что электромагнитное поле, образовавшееся в результате взрывазвезды, играет роль синхротрона, и тогда огромная энергия, которая набираетсячастицей, путешествующей по спирали вокруг линий магнитной индукции напротяжении тысяч световых лет, может достигнуть тех фантастических цифр,которые мы привели·
Расчеты показывают, что,пролетев расстояние, равное поперечнику нашей Галактики, космическая частица неможет набрать энергии больше чем 10" эВ· Видимо, частицы с максимальнойэнергией приходят к нам из других галактик,
Разумеется, нет никакойнеобходимости полагать, что только взрывы звезд приводят к появлениюкосмических частиц, Любые звездные источники радиоволн могут быть одновременноисточниками космических лучей·
Существование космическихлучей было обнаружено еще в начале нашего века· Установив электроскопы навоздушном шаре, исследователь замечал, что разрядка электроскопа на большихвысотах идет значительно быстрее, чем если этот старинный прибор, оказавшийфизикам немало услуг, помещен на уровне моря·
Стало ясным, что всегдапроисходящий спад листочков электроскопа не является следствием несовершенстваприбора, а есть результат действия каких-то внешних факторов·
В 20-х годах физики ужепонимали, что ионизация воздуха, которая снимала заряд с электроскопа,несомненно внеземного происхождения· Милликен первый уверенно высказал такоепредположение и дал явлению его современное название: космическое излучение·
В <st1:metricconverter ProductID=«1927 г» w:st=«on»>1927 г</st1:metricconverter>, советский ученый Д.В. Скобельцын первый получил фотографию следов космических лучей вионизационной камере·
Обычными способами, которые мыописывали ранее, была определена энергия космических частиц. Она оказаласьогромной·
Изучая природу космическихлучей, физики сделали ряд замечательных открытий· В частности, существованиепозитрона было доказано именно этим путём· Такие же точно и мезоны — частицы смассой, промежуточный между массами протона и электрона, были впервыеобнаружены в космических лучах·
Исследования космических лучейпродолжают оставаться одним из увлекательных занятий физиков.
Незавершенность астрофизикиделает трудным ее изложение в одной главе не большой книги, цель которой — ввести читателя в круг основных фактов и идей физической науки. Я выбрал изфизических проблем, касающихся вселенной, лишь несколько вопросов, которыеказались мне наиболее интересными.
Если в воздухе нет ионов, то заряженный электроскопдолжен сохранять свой заряд неопределенно долгое время· Однако опыт показывает,что электроскоп постепенно разряжается·
Вначале это явление объяснялиионизирующим действием ра-диоактивного излучения Земли, Если это так, то помере удаления от поверхности Земли ионизирующее воздух излучение должноослабевать. Еще в 1912 г· с помощью воздушных шаров было установлено, чтоинтенсивность ионизирующего излучения возрастает с увеличением высоты,Следовательно, это излучение возникает не на Земле, а где-то в мировомпространстве. Поэтому его стали называть космическим излучением, иликосмическими лучами.
Изучение космических лучей ввысокогорных областях показало, что они состоят из пионов, протонов, нейтронови других частиц, среди которых были обнаружены и многие неизвестные ранеечастицы. Эти частицы были названы вторичными, так как выяснилось, что ониобразуются в верхних слоях атмосферы при взаимодействии первичных космическихчастиц, летящих из мирового пространства, с ядрами атомов атмосферы,
Исследования показали, чтоинтенсивность космических лучей вблизи магнитных полюсов Земли примерно в 1,5раза больше, чем на экваторе, Изучение отклоняющего действия магнитного поляЗемли на первичное космическое излучение показало, что оно состоит изположительно заряженных частиц. Много ценных сведений о пер-вичном космическомизлучении получено с помощью искусственных спутников и космических кораблей,
В настоящее время установлено,что первичное космическое излучение состоит из стабильных частиц высокихэнергий, летящих в самых различных направлениях в космическом пространстве.Интенсивность космического излучения в районе Солнечной системы составляет всреднем 2-4 частицы на 1 см^2 за 1 с, Оно состоит в основном из протонов (~91%) и а-частиц (6,6%); небольшая часть приходится на ядра других элементов(менее 1%) и электроны (~1,5%).
Среднее значение энергиикосмических частиц — около 10^4 МэВ, а энергия отдельных частиц достигаетчрезвычайно высоких значений – 10^12 МэВ и более. Где возникают космическиечастицы и как они ускоряются до таких огромных энергий, еще точно неизвестно.Предполагают, что они выбрасываются при взрывах новых и сверхновых звезд иускоряются при взаимодействии с неоднородными магнитными полями в межзвездномпространстве.
Солнце периодически (во времявспышек) испускает солнечные космические лучи, которые состоят в основном изпротонов и а-частиц, имеют небольшую энергию, но высокую интенсивность, чтоприходится учитывать при планировании космических полётов.
Вторичные частицы такжеобладают очень высокой энергией и ири столкновении с ядрами вызывают дальнейшееразмножение частиц,
След ударившей в ядро частицы невидим (по-видимому, этонейтрон). Ядро распалось на 17 частиц, разлетевшихся в разные стороны·
В результате лавинообразногоразмножения частиц в верхних слоях атмосферы образуется каскадный ядерныйливень, На рис, 2 изображен искусственный каскадный ливень, полученный в камереВильсона, перегороженной свинцовыми пластинами, Частица высокой энергии,проходя через слой свинца, создает ливень частиц, которые при прохожденииследующих слоев свинца создают новые ливни,
Ядерный ливень в атмосферезатухает, когда энергия частиц снижается до нескольких десятковмегаэлектронвольт. Остаток энергии протоны тратят на ионизацию воздуха;нейтроны поглощаются ядрами, вызывая различные ядерные реакции, а пионы,составляющие основную часть ливневых частиц, распадаются. Образующиеся вбольшом количестве фотоны и электроны сильно поглощаются атмосферой.
Каждый нейтральный пион оченьбыстро превращается в два фотона высокой энергии· При распаде заряженных пионовобразуются новые частицы — u-мезоны, или мюоны, которые были открыты К· Андерсоном в <st1:metricconverter ProductID=«1935 г» w:st=«on»>1935 г</st1:metricconverter>, при изучениикосмических лучей, задолго до открытия пионов, Масса мюона в 207 раз большемассы электрона, т.е, составляет около 3/4 массы пиона, Существуют мюоны толькодвух видов — положительно и отрицательно заряженные; они обозначаются u+ и u-, При распадел+-мезонов образуются u+-мезоны,а при распаде л-мезонов u-мезоны.
Оказывается, что, в отличие отпионов, мюоны не участвуют в ядерных взаимодействиях и расходуют энергию толькона ионизацию. Поэтому они обладают высокой проникающей способностью исоставляют так называемую жесткую компоненту космического излучения· Мюоныпролетают сквозь атмосферу, и их обнаруживают даже на значительной глубине подповерхностью Земли.<span Arial",«sans-serif»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">
Мюоны нестабильны, онисуществуют всего несколько микросекунд и распадаются на другие частицы.
На уровне моря космическоеизлучение имеет примерно в сто раз меньшую интенсивность, чем на границеатмосферы, и состоит в основном из мюонов. Остальную часть составляют электроныи фотоны и незначительное количество ливневых частиц. Из первичногокосмического излучения только отдельные частицы, с исключительно высокойэнергией (более 10^7 МэВ), пробиваютсясквозь атмосферу.
В космических лучах мюоны, как и пионы, летят соскоростями, близкими к скорости света, и поэтому благодаря релятивистскомузамедлению времени успевают до своего распада пролететь большие расстояния.