宇宙線重核效應

宇宙線重核粒子在傳播過程中的各種物理過程，以及與星際介質氫、氦等的相互作用。宇宙線重核是指宇宙線中原子序數Z>2的核粒子。1948年弗賴爾(P.S.Freier)等人在高空飛行的氣球上，用雲霧室和依爾福核乳膠照相發現了原子序數達到40，動能達到5×10電子伏的宇宙線重核粒子。這表明轟擊地球的宇宙線，不僅包括質子，還包括氦核和重元素的核。

基本介紹

• 中文名：宇宙線重核效應
• 領域：航空
• 學科：核物理
• 成分：質子 氦核 重元素的核。

研究意義

宇宙線重核效應的研究，不僅可以了解宇宙線的組成、能譜、起源和次級宇宙線的產生等問題，同時還有助於人類認識元素起源、天體演化、各種天體物質的宇宙線照射歷史、表面動力學過程，並可用於估計隕石母體的大小，恢復隕石母體的形狀和估算隕石通過大氣層時的燒蝕量等。此外，對於宇宙飛行，宇宙飛船和太空服的設計也具有重要的實際意義。

研究內容

宇宙線重核的組成

一般按原子序數分為輕元素核(L)、中等元素核(M)和重元素核(H),重元素核又分為H3、H2和H1（見表1）。有時在重元素核中又分為最重核（VH,18≤Z≤30）和超重核（VVH，Z>30）。在初級宇宙射線中,重核只占很少一部分，按粒子數計算少於 2%，按進入質量計算少於15%。以中等元素核的豐度等於1為標準表示的各類宇宙線重核的相對豐度也見表1。以到達地球大氣層頂部、能量≥1.5×10電子伏的碳核通量等於1為標準表示的宇宙線重核相對豐度如圖。圖中，右邊畫右斜線的柱表示宇宙線重核的原始豐度（源區豐度），左邊的柱表示在地球大氣層頂部所觀測的豐度，其中黑色區表示宇宙線與星際物質相互作用以後的次級產物的量。從圖看出，在宇宙線源區，氧的豐度略超過碳的豐度，但在地球大氣層頂部，碳的豐度略超過氧的豐度。氮的源區豐度低於靠近地球處的觀測值，表明大部分氮是次級產物。Ne、Mg、Si、Fe在豐度上比較接近,約為0.2～0.25。到達地球附近的C、O核大約有90%，Ne、Mg、Si核大約有70～80%是原始核。其餘元素大都是次生核占優勢。Ar、Ca、Na、Al的原始豐度是十分低的，相對於C來說,Ar和Ca的豐度約為0.01，Na和Al約為 0.005。這一數值與卡梅倫(A.G.W.Cameron)的宇宙豐度屬同一數量級。

表一

宇宙線重核的傳播和演變

宇宙線自產生至到達地球的傳播過程中，與星際介質中的氫、氦等元素以及地球大氣發生碰撞，使原始宇宙線重核發生核崩裂和核散裂反應，引起到達地球的宇宙線重核豐度發生變化，並生成一系列新核素。

在宇宙線能量E≥2.3×10電子伏情況下,最豐富的宇宙線重核與氫碰撞產生質量數為6～27的核(Li～Al)。Fe核與氫碰撞後崩裂成比Al重的核。但星際氣體原子有10～15%是He，它與宇宙線重核相互作用的幾率(截面)超過與氫相互作用的幾率，是使宇宙線重核在星際氣體中傳播時豐度發生變化的重要因素。如重核與氦作用產生的Be比它與氫相互作用產生的Be高2倍以上。宇宙線能量為 100～500百萬電子伏時，Fe與He碰撞時生成17≤Z ≤20的產率比與氫碰撞產生這些核元素的產率要大得多。

宇宙線重核與空氣相互作用產生H1、 H2、H3和M、L核素如表2。Pji是產生每一類子體核的分截面總和被相應的每一類母體核的平均總非彈性截面相除所得的值，即Pji是由 j類核碰撞出i類核的平均數。　宇宙線重核與隕石等地球外固體物質的相互作用 隕石等地球外固體物質有兩個基本特點：一是沒有像地球這樣稠密的大氣層的禁止，因此它們幾乎直接暴露在宇宙線下；二是它們在宇宙空間運行的時間很長。當宇宙線重核轟擊這些固體物質時，高能帶電粒子會在絕緣固體物質（如矽酸鹽礦物）中產生輻射損傷──固體核徑跡，並被直接記載下來。宇宙射線重核還可以與固體物質中的組分作用，產生次級反應產物，這些次級產物也是具有一定能量和電荷的粒子，當他們被固體物質阻止下來時，也會產生核徑跡被記載下來。宇宙線重核與固體物質的組分發生核作用時，也會引起固體物質中的同位素組成發生變異，比較起來，氫和氦的這種作用是很小的。在通常矽酸鹽礦物中氫和氦核所造成的輻射損傷不形成蝕刻徑跡。所以，形成固體核徑跡是宇宙線重核的特徵效應。根據高能帶電粒子產生的輻射損傷程度和元素豐度，隕石矽酸鹽礦物中記載下來的核徑跡主要是VH核（18≤Z≤30），和少量VVH核的徑跡，VH核徑跡有以下幾個特點：

表二

相對豐度

①由於矽酸鹽礦物靈敏性較低，只有在靠近VH核的射程末端才形成徑跡。蝕刻出來的徑跡長度一般約為10～20微米。②由於核相互作用導致能量損失的速度較快，以及VH核在空間的能譜形狀，VH核的徑跡密度隨深度而迅速減少。低能粒子徑跡在微米級範圍可以看到明顯的變化；高能粒子則在厘米級範圍內可以看出。③由於VH核徑跡的深度效應，徑跡分布呈現出異向性，即隕石破碎以後，徑跡的分布在靠近原始表面的方向密度愈來愈大。④伴隨著VH徑跡，偶爾也會出現一些更長的徑跡，這是Z>30的超重核形成的。