宇宙射線和它的孩兒們——宇生核素

最新 02-06

學過高中物理的同學想必都聽說過X射線、γ射線、α射線、β射線等等，可你們知道宇宙射線是什嗎？名字起地霸氣側漏，與眾不同，是不是有什麼特別之處呢？是的，非常特別！！！它的發現奠定了粒子物理學的基礎。同時它與表層地球系統物質發生核反應生成的宇宙成因核素，是第四紀年代學的重要組成部分，也為人們定量重建陸表地質過程提供了絕佳的研究材料。接下來我們就為大家簡單科普一下宇宙射線及其與地球母親相互作用的產物——宇宙成因核素。

地球周邊的宇宙射線/NASA網站

宇宙射線

宇宙射線是宇宙空間高能帶電粒子流的總稱。1912年，奧地利物理學家赫斯乘坐熱氣球，進行了七次科學實驗，發現在海拔1000米以上，儀器測量的放電速率隨海拔持續增加，在海拔5000米的高空，放電速率為地表4倍。這明確地說明，這種射線與地表無關，又由於白天和夜晚測試結果相同，排除了太陽起源，赫斯認為這種射線來源於宇宙空間。之後於1914年，德國物理學家柯爾霍斯特將熱氣球升至9300米的新高度，並在這個海拔上，測得的電離電流比地表高約40倍。1925年美國物理學家密立根通過巧妙的實驗證實了赫斯的判斷，並將這種射線稱之為「Cosmic rays」，即宇宙射線。

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赫斯乘坐熱氣球探測宇宙射線

赫斯乘坐熱氣球及他與柯爾霍斯特觀測結果/修改自維基百科

在1940年左右，由於粒子加速器剛剛起步，宇宙射線作為高能粒子源（最高能量可達現今人工加速粒子最高值的3000倍），是當時唯一能轟開原子核的「粒子炮彈」，產出了許多重大成果。其中比較著名的有1932年安德森利用磁雲霧室發現了第一個反物質粒子——正電子，1936年安德森和內德梅耶在雲霧室中觀測到了u子，1947年鮑威爾等發現了π介子，1947年羅徹斯特等在宇宙射線中發現了K0和Λ等奇異粒子，之後又有人發現了一系列超子(∑±，∑0，Ξ0，Ξ－)和K±介子等。這些發現打開了微觀世界的神秘大門，促成了粒子物理學的誕生和人工加速器的發展。

雲霧室中捕獲的粒子徑跡/Bing 圖片

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宇宙射線導致π介子的生成過程/NASA網站

地球大氣層外，尚未與大氣發生相互作用的宇宙射線稱為初級宇宙射線，其成分主要為質子和α粒子，其次是從鋰核到鐵核等多種元素的離子核以及微量的電子和μ子等。初級宇宙射線大致可分為銀河系宇宙射線(Galactic Cosmic Rays，GCR)和太陽高能粒子(Solar Energetic Particles，SEP)。

宇宙射線全粒子能譜圖

銀河系宇宙射線來源於銀河系內超新星的爆發，其由約87%的質子和約12%的α粒子等組成，能量多在0.1GeV-100GeV之間變化，能量高，通量較低。

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超新星爆發過程

太陽高能粒子(SEP)來源於太陽自身核聚變過程中向太陽系釋放出的高能粒子，其由約90%的質子、9%的電子和1%重離子核組成，能量多在1-1000 MeV之間變化，能量低，但通量高。

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太陽日珥爆發/NASA 網站

宇宙成因核素

宇宙成因核素是由宇宙射線與表層地球系統物質發生核反應生成。初級宇宙射線進入大氣圈後，會與大氣中的靶元素(主要為N、O、Ar和Xe等元素)發生核反應而產生大量的次級粒子，緊接著次級粒子繼續與空氣中的靶元素髮生新的核反應併產生新的次級粒子，主要有強子、電子、光子和μ子等成分，最終次級粒子數目會非常巨大，形成廣延大氣簇射(Extensive Air Shower，EAS)。

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廣延大氣簇射

大氣宇宙成因核素

在此過程中，空氣中的N、O、Ar和Xe等元素會通過蛻變，中子捕獲和介子反應等核反應，形成一系列的穩定核素（3He、21Ne等）和放射性核素(14C、10Be、26Al、36Cl和129I等)，即大氣宇宙成因核素。大氣宇宙成因核素在定年，示蹤太陽和地磁場活動等方面具有不可替代的獨特性。

就地宇宙成因核素

次級宇宙射線到達地表後會與地表岩石礦物中的元素髮生核反應，使其中的O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等元素髮生蛻變，中子捕獲和介子反應等，生成一系列穩定核素(3He、21Ne等)和放射性核素(14C、10Be、26Al和36Cl等)，即就地宇宙成因核素。

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就地宇宙成因核素10Be在石英中的生成過程

經過60多年的科學研究以及儀器分析技術的進步，就地宇宙成因核素在產率模型、暴露測年、侵蝕速率以及埋藏年齡等理論取得了長足的進步，其在百年到百萬年時間尺度上，定量重建陸表地質過程方面具有獨特的優勢，已經在冰川地貌年代學、流域侵蝕速率、滑坡和斷層年代學、火山噴發年代學、古人類學、河流和湖泊階地年代學、埋藏年代學等方面廣泛應用。