宇宙射线的发现

1912年，奥地利科学家赫斯通过实验发现了宇宙射线。他的发现不仅解决了困扰物理学界100多年的难题，而且开辟了基础粒子研究的新领域，具有极其深远的历史意义。因为这个伟大的发现，赫斯获得了1936年诺贝尔物理学奖。1785年，法国物理学家库仑发现空气中的电荷会逐渐失去电荷。那时，人们已经知道空气是一种很好的绝缘体，不导电。那么，为什么带电体上的电荷丢失了呢？无法解释。因此，一个多世纪以来，空气泄漏问题一直是物理学中的一个谜。1896年，法国物理学家贝克雷尔偶然发现，含铀矿物能够发出穿透力极强的射线。同时，实验检测技术也得到了很大的改进。结果，物理学家们又被启发去关注关于空气泄漏问题的实验研究。1900年，威尔逊使用密封验电器测量大气泄漏率。研究发现，在黑暗和漫射阳光下，泄漏率相等，正负电荷泄漏率也相等。同年，德国科学家盖特尔和埃尔斯特在不同的高度和不同的天气条件下进行了相同的实验。他们发现，晴天带电体的泄漏率大于雾天，地面高处带电体的泄漏率大于低处，高处负电荷的泄漏率大于正电荷的泄漏率。他们的实验结果表明空气中有一种来源不明的离子源。离子源在空气中每秒每立方厘米产生大约20个离子。1903年，卢瑟福用铅、铁和水作为屏蔽，试图将离子源与验电器隔离开来。实验结果出乎意料。如果屏蔽层很薄，对泄漏没有影响。如果添加屏蔽层，泄漏率将降低，但仅降低约30%。通过实验分析，卢瑟福认为空气的泄漏是由某种辐射引起的，而这种辐射发出的带电粒子具有很强的穿透能力。那么，这种辐射是由地球上的天然放射性物质产生的吗？因此，人们把实验放在高空，以避免辐射对地面的影响。1910年，伍尔夫制造了一个高度灵敏的静电计，并在高出地面300多米的埃菲尔铁塔上进行了实验。发现空气的泄漏率降低，但不能排除空气的电离。这时，一些学者怀疑这种辐射不是来自地球本身，而是可能来自地球之外，但由于实验证据不足，它无法得到证实。完成这一重要发现的任务落在赫斯身上。赫斯于1883年出生在奥地利。他的父亲是林业工人。他于1910年获得格拉茨大学博士学位。赫斯在以前研究的基础上吸取了他们的经验和教训。一方面，检测仪器得到了改进，用密封电离室代替了静电计；另一方面，我们将把气球带进天空来测量大气的泄漏率。当时，由于缺少遥测技术，实验者必须携带探测仪器，乘气球一起上升到高空，因此存在一定的危险。1911年，赫斯用改进的仪器进行了第一次高空探索。当气球升到1070米时，赫斯测量了大气的泄漏率，这与地面上的泄漏率基本相同。因此，他初步得出结论，放射性对地面的影响在高海拔地区已经消除，所以空气泄漏的原因一定是在地面以外。这进一步增强了他对高空探索的信心。1912年，赫斯又进行了七次高空探测。特别是最后一次，为了让气球升得更高，气球中充满了氢气，使实际上升达到5350米。探测结果表明，大气的泄漏率与1500米以下地面的泄漏率基本相同。随着高度的增加，大气的泄漏率明显增加。这一发现具有非凡的意义，因为它表明地球之外确实存在辐射源。这个辐射源发出穿透力很强的辐射。它可以到达大气层的下部，使密封的验电器导电。这是地面漏气的真正原因。赫斯实验后，为了证实赫斯的结论，科尔霍斯特在1913年和1914年进行了多次高空调查。气球上升到9300米，检测仪器更加精确，测量结果更加准确。检测结果为赫斯的结论提供了有力的实验支持。1936年，当赫斯获得诺贝尔物理学奖时，他说:“1912年，我用气球去高空探测。封闭容器中的电离随着地面高度的增加而减少，即地球中放射性物质的影响减少。但是在1000米以上，电离达到地面观测值的几倍。当时，我得出的结论是，这种电离可能是由具有强大穿透力的辐射从外层空间进入地球大气层引起的，目前尚不清楚。”这种未知的辐射最初被称为“赫斯辐射”，后来米里根将其命名为“宇宙射线”，意思是来自地球外层空间的高能粒子流，被称为“宇宙射线”。经过几十年的研究，人们把地球大气层外的宇宙射线称为“初级宇宙射线”，它的成分主要是质子，其次是粒子A和一些轻核。它们的能量极高，达到1013电子伏以上。进入大气层后，它们与空气中的原子核碰撞，导致原子核分裂并产生一系列其他粒子。通过这些粒子与周围物质的相互作用和它们自身的转化，它们产生了“次级宇宙射线”，其中超过2/3是介子，它们具有很强的穿透力，甚至可以穿透1000米的深水。另一种主要是电子和光子，穿透力很小。人们研究宇宙射线已经有80多年了，但它远未结束。到目前为止，我们还不清楚宇宙射线的来源。著名物理学家海森堡曾经说过，对(宇宙)射线的研究促进了我们对物理基本问题的理解。......因为宇宙射线包含最小尺度(基本粒子)和最大尺度“宇宙”的物质行为信息。"