来自天外的宇宙射线

宇宙射线是来自宇宙深处的各种高能射线的总称，实际上是存在于宇宙空间的各种高能粒子。宇宙射线是在研究大气电导率的过程中偶然发现的。在研究中，人们注意到，在屏蔽良好的静电器中仍能测出微弱的漏电流，因此人们猜测可能有某种至今未知的射线导致空气电离，这种射线应该具有非常强的穿透力。

1911 年～1912 年，奥地利物理学家 V.F.赫斯利用气球将高压电离室带到 5000 米以上的高空。结果发现了非常有趣的现象：当离开地面 700 米时，电离度有一些下降，随后，电离度随着气球高度的增加而持续增加。无论白天和黑夜，观测的结果都一样。

究其原因，在地面附近，电离室的电离度主要受地面放射性的影响，随着气球的上升而减弱。而到了 700 米以上的高空，地球以外的射线对电离度的影响起了决定性的作用，随着气球高度的上升而持续增强。因为这种射线来源于地球以外的宇宙空间，因此被称为宇宙射线。

宇宙射线本身就是成分很复杂的许多射线的统称。在进入大气层之前的宇宙射线称为初级宇宙射线，进入大气层之后与大气层中的原子核相互作用而产生的各种粒子则称为次级宇宙射线。在接近海平面的次级宇宙射线又可以分成软性和硬性两部分。软性部分是指那些能够被 10 厘米厚的铅块几乎完全吸收的射线，主要是电子和γ射线，其余的是硬性部分，可以穿过很厚的物质层，主要是各种介子。这是一个比较笼统的划分，和射线的探测条件还有一定的关系。

宇宙射线的起源和传播是高能天体物理学中的一个重要课题。宇宙射线是各种高能天体演化过程的产物，特别是各种高能天体物理过程的产物。很显然，因为问题本身的复杂性，宇宙射线的起源和传播的研究有许多实际的困难。随着初级宇宙射线观测的进展，人们现有核物理和高能物理知识的不足，也已越来越成为限制人们了解原始宇宙射线的重要原因。一般认为，宇宙射线中高能粒子应起源于天体的高能活动过程，如太阳和其它恒星表面的高能活动，超新星爆发，脉冲星，和活动星系等都可能是宇宙射线的源头。自本世纪 60 年代以来随着对初级宇宙射线以及射电、X 射线和γ射线天文观测的进展，人们对宇宙射线的起源和传播的认识取得很大的进展，并在不断地深入，然而，至今仍未出现比较令人满意的理论模型。而人们对极高能宇宙射线的认识就显得更加不足。

人们对宇宙射线的观测发现，宇宙射线的强度随纬度而变化，赤道附近的强度比高纬度地区的明显降低，这就是所谓宇宙射线的纬度效应。这表明初级宇宙射线带有电荷，电磁场使它们发生偏转。

除了发现纬度效应外，人们还发现了宇宙的东西效应，这就是在同一观测点，来自西方的粒子多于来自东方的。宇宙射线表明初级宇宙射线应带正电荷，在地磁场作用下发生偏转，导致强度的东西不对称。初级宇宙射线主要是各种原子核，观测宇宙射线主要是探测它们的电荷、速度、能量及其含量丰度，以及它们与靶物质的核相互作用过程等。宇宙射线是自然界为我们提供的天然的高能粒子库。宇宙射线除了能量高之外的另一个显著特点是强度低，在每平方厘米面积内只有每分钟几个，而且能量越高的粒子数目越少，适合做一些发现新现象的研究工作。在研究宇宙射线中，威尔孙云室曾经是

非常有用的探测器。如果在云室中加上强磁场，就可以根据带电粒子在磁场中弯曲的情况来确定粒子的动量。如果在云室中加上已知厚度的吸收片，就可以确定粒子的能量损失，同时还可以利用拍摄的照片中粒子的径迹来研究粒子的其它一些特性。

图 2.7 就是物理学家 C.T.R.威尔孙所发明并加以改进过的云室示意图。威尔孙曾经用它拍摄过很多珍贵的照片。1932 年美国加州理工学院的物理学家 C.P.安德孙利用威尔孙云室首先发现了正电子。为此，他和宇宙射线的发现者 V.F.赫斯共享 1936 年的诺贝尔物理学奖。图 2.8 就是他发现正电子时所拍摄的云室照片。

从照片上可以清楚地看出，有一个带电粒子穿过云室。由于在云室内有强磁场，粒子沿着弧形前进。在穿过 5 厘米厚的铅板后，它的速度减慢，因而径迹的曲率增大。因为径迹的上半部的曲率比下半部的大，证明带电粒子的运动方向一定是自下而上的。知道了粒子运动的方向，根据已知的磁场极性，安德孙推断出该粒子带正电。他还根据粒子穿过铅板后曲率改变的幅度推断出该粒子具有和电子一样的质量，并将它命名为正电子。其实，早在 1930 年就已经从理论上预言了正电子的存在。从狄拉克理论可以推导出这样一个结果，即每一种粒子必定有一种电荷共轭粒子或反粒子，它的质量和原来的粒子相同，电荷大小相等符号相反。正电子就是电子的反粒子。

1937 年安德孙又和 S.H.尼德迈尔一起利用威尔孙云室在宇宙射线中发现了μ子。μ子是一种比电子重而比质子轻的粒子，可以带正电，也可以带负电。威尔孙云室还帮助物理学家 G.D.罗彻斯特和 C.C.巴特拉于 1947 年在宇宙射线中发现了一种新的带 V 字形径迹的粒子。

核乳胶也是物理学家们用来研究宇宙射线的有力工具。他们将它密封在一个盒子中，然后送上高空。当有宇宙射线穿过时，冲洗后粒子的径迹在核乳胶上呈现暗线。根据暗线的长度、曲率和黑度等，就可以计算出造成径迹的粒子的质量、电荷和速度。物理学家们利用核乳胶也在宇宙射线中发现了许多新粒子。1947 年莱蒂斯发现了π介子。π介子的质量比μ子稍大，可以带正电，可以带负电，也可以不带电。1949 年 C.F.鲍威尔发现了比π介子还重的κ介子。1953 年伯尼特发现了Σ粒子⋯

从以上的这些例子中，我们可以清楚地看到，在近代物理学的发展中，许多新的基本粒子都是首先在宇宙射线中发现的。

通过以上简略的介绍，我们已经认识了射线大家族中的许多重要的成员。很显然，我们不可能在这种小册子里一一列举出这个大家族中的所有成员，而且这个大家族今后也不断会有新的成员加入。