介绍宇宙射线(Cosmic Ray)的书–宇宙飞弹(2)

2020-06-17  阅读 272 次

在宇宙射线中,发现正电子

1932年,安德森与尼德迈尔将云雾室放在强磁场中,来观察宇宙射线经过磁场时,路径变化情况。并拍摄照片。通过对照片的详细分析,发现有一种特别轨迹,走不同的路径,与当时已知的带电粒子路径都不同。根据轨迹在磁场偏转的方向,判断这种粒子是带正电荷,又根据轨迹曲率的大小,推知这种粒子的质量要比质子轻得多,且与电子的质量近乎相等。他们发现了正电子 ! 人类第一次发现了反物质。

安德森想要从宇宙射线中找到新射线,也曾多次乘坐气球升入高空,进行危险观测实验。1936年度的诺贝尔物理学奖,就是表彰安德森的重大发现。

目前天文物理学家们用气球载着侦测器,往高空(距地面约 40 公里)来侦测由外太空飞来的反粒子。直到现在为止,这样的实验已经观测到了反质子(带负电的质子)和正电子。如果收集的数据量够多,说不定还能找到反物质星体,也就是说,有可能存在着与我们所认知的世界完全相反的另外一个世界,例如反物质形成的星系….。

我国中央研究院院士丁肇中博士与美国太空总署(NASA) 合作,把《反物质磁谱仪》侦测器放在人造卫星上,如此可以有很长的时间观测反物质。

我们在讨论宇宙射线的行为时,通常会先看看它具有多高能量,很少谈它的静止质量是多少,例如:如果有一个电子带有50百万电子伏特的能量,另外一方面,将电子的静止质量换算成能量(约为0.5百万电子伏特的能量),相较之下,质量换算成的能量仅佔总能量的1/100。因此,在面对一个高速高能的粒子时,它所带的总能量几乎都是动能了,不太去考虑它的静止质量对运动所造成的影响。

在宇宙射线的行为中,找到了质量与能量的互相转换的例子。
第一、当宇宙射线轰击到空气原子时,它的能量转变成一大串的粒子(实在的粒子质量)。
第二、我们从两个方法分别算出宇宙射线质量(方法一)量取宇宙射线在磁场中偏转的曲度,来计算偏转时所具有的质量,(方法二)再将宇宙射线所带的能量换算为质量,结果两者算出相同的质量。从这推出,与质量等效的能量,实际上就是质量。

宇宙射线在大气中的变化

太空的高能粒子射入地球大气层顶,谓之初级宇宙射线(也就是在宇宙中高速飞行的粒子弹);当进入大气时,高速高能的粒子与空气原子碰撞,产生次生粒子,这些次生粒子包括有碎掉的原子核、中子(n)、质子(p)、π介子(在原子核中将质子与质子们黏在一起的胶水粒子称为介子)—及电磁波(伽玛射线) (γ)….等等,这些次生粒子的产生过程称为「广延空气簇射」(如图所示)

介绍宇宙射线(Cosmic Ray)的书–宇宙飞弹(2)

,而「广延空气簇射」并不会像图中这幺简单而巳。虽然初级宇宙射线粒子巳碎裂,但是它所携带的高能量分给了许多的次生宇宙射线粒子,使更多的空气原子受到轰击,就这样像骨牌效应般产生更多的空气簇射(一连串的高速粒子撞击)。

「广延空气簇射」的範围可以想像成一个圆锥体,好似小丑的尖顶圆帽般,初级宇宙射线射入大气层的位置—为圆锥形的顶点,由实验中得知,一次「空气簇射」的範围内,可以包含上百万颗粒子,而平均每一个粒子具有几千万的电子伏特能量,因此,一次「空气簇射」的总能量大的惊人。一次「空气簇射」在地面上的影响範围,就是圆锥体的底面—圆形区,(如下图所示)

介绍宇宙射线(Cosmic Ray)的书–宇宙飞弹(2)

图中地面A区的上空,就是初级宇宙射线射入大气层的位置。如果在A圈到B圈之间,放许多的观测器,那幺地面侦测到的宇宙射线粒子数目,就会由A圈向B圈渐渐减少。

参考资料:
http://www.phy.cuhk.edu.hk/astroworld/cosmic/crtelescope.html
http://www.tas.idv.tw/
http://tech.china.com/

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