宇宙射线的发现－物理大发现

1896年,法国物理学家贝克勒尔在一个偶然的机会中发现含铀矿物能放出穿透能力很强的射线,同时实验探测技术也有了很大提高,使物理学家们受到启发,才又重新把注意力放在空气漏电问题的实验研究上．1900年威尔逊用密闭的验电器进行大气漏电率的测量,发现在黑暗中和漫反射的日光中漏电率相等,并且正、负电荷漏电率也相等．同年,德国科学家盖特尔和埃尔斯特在不同高度和不同天气条件下做了同样的实验,发现带电体在晴天的漏电率比雾天大,离地面高处的漏电率比在低处大,高处负电荷的漏电率比正电荷大．他们的实验结果表明,空气中存在着某种来历不明的离子源．该离子源在空气中每立方厘米、每秒钟产生约20 个离子对．1903年,卢瑟福分别用铅、铁和水作屏蔽物,试图隔断离子源与验电器的联系．实验结果出乎意外,如果屏蔽层很薄,对漏电性没有什么影响,加屏蔽层厚度,漏电率减小,但只能减小30% 左右．通过实验分析,卢瑟福认为空气的漏电性是由于某种辐射造成的,并且这种辐射放出的带电粒子有很强的贯穿能力．那么,这种辐射是地球上天然放射性物质产生的吗? 于是,人们把实验放在高空去做,以避免地面放射物质的影响．1910年伍尔夫制作了一台灵敏度很高的静电计,在距离地面300 多米的埃菲尔铁塔上做实验,发现空气的漏电率减小了,但仍然无法排除空气被电离．此时,有的学者猜想,这种辐射不是来自地球本身,可能是来自地球之外,但因实验证据不足,无法证实。

完成这一重大发现的任务就落到赫斯的肩上．赫斯1883年生于奥地利,父亲是林业工人．他于1910年在格拉茨大学获得博士学位。

赫斯在前人研究的基础上,吸取他们的经验教训．一方面改进了探测仪器,用密闭的电离室代替静电计；另一方面准备乘气球进入高空测量大气的漏电率．当时,由于缺乏遥测技术,必须由实验者携带探测仪器,乘气球一同升入高空,所以有一定危险性。

1911年,赫斯带着改进的仪器,进行首次高空探测．当气球升到1070米时,赫斯测得大气的漏电率,与地面上基本相同．因而他初步断定,在高空中已经排除了地面放射性的影响,那么引起空气漏电的原因必然在地面以外．从而更加坚定了他进行高空探测的信心．1912年,赫斯又进行了7 次高空探测．尤其是最后一次,为了让气球升得更高,给气球充以氢气,使实际上升的高度达到5350 米．探测结果表明,在1500 米以下,大气的漏电率与地面基本相同,随着高度的增加,大气的漏电率明显增大．这一发现意义非同寻常,因为它说明地球之外确实存在着辐射源,这种辐射源放射出贯穿本领很强的射线,它能到达大气层的下面使密闭的验电器导电,这就是地面上空气漏电的真正原因。

在赫斯实验之后,柯尔霍斯特为了证实赫斯的结论,在1913年和1914年又进行了多次高空探测,气球上升高度达到9300 米,探测仪器更精密,测量结果也更准确．探测结果给赫斯的结论以强有力的实验支持。

1936年,赫斯在获得诺贝尔物理奖时,他说: “1912年,我曾利用气球升到高空进行探测,密闭容器中的电离是随地面高度的增大而减小,即地球中的放射性物质的影响减小了．但是在高于1000 米时,电离达到地面观测值的数倍．当时我得出结论说,这种电离可能是由于迄今还不知道的穿透能力很强的辐射从外部空间进入地球大气引起的．”这种未知的辐射最初被称为“赫斯辐射”,后来密立根把它命名为“宇宙射线”,意即来自地球之外的宇宙空间的高能粒子流,简称“宇宙线”。

通过几十年的研究,人们把在地球大气层外的宇宙射线叫做“初级宇宙射线”,其成分主要是质子,其次是a 粒子,还有少数轻原子核．它们的能量极高,可达1013 电子伏特以上．它们进入大气层后,跟空气中的原子核发生碰撞,引起核的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自身的转变,产生了“次级宇宙射线”,其成分中有2／3 以上是介子,它的穿透本领很大,甚至可穿过1000 米的深水；另外主要是电子和光子,穿透本领较小。

人们对宇宙射线的研究已有80 多年的历史,但远未终结．到目前为止,我们对宇宙射线的来源还不清楚．著名物理学家海森堡曾经说过:

(宇宙)射线的研究已经推进了我们对物理学基本问题的理解．……因为宇宙射线包含了最小尺度(基本粒子)和最大尺度“宇宙”中物质行为的信息．”

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