空氣電離是怎么回事？究竟是哪里的”怪盜“偷走了電量？

撰文 | 熊崢、劉佳（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所）

一、問題的起源

18 世紀(jì)，人們對(duì)電現(xiàn)象有了初步的認(rèn)識(shí)。1785年法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵鱿蚍▏?guó)皇家科學(xué)院提交了多份關(guān)于電磁現(xiàn)象的研究報(bào)告，其中一份報(bào)告詳細(xì)記錄了他通過一個(gè)基于驗(yàn)電器原理制作的扭力天平實(shí)驗(yàn)得出了由于空氣的作用，該裝置的電量不能永久保持，總會(huì)以自發(fā)放電的形式泄露電荷的結(jié)論。此后有多人研究過空氣電離的問題，引出了一個(gè)困擾了人類近一個(gè)半世紀(jì)的空氣電離之謎。

二、如何找到答案

我們來重溫一下驗(yàn)電器實(shí)驗(yàn)(圖1) 和空氣電離的原因。世間存在正負(fù)兩種電荷，同種電荷相斥，異種電荷相吸。絲綢摩擦過的玻璃棒會(huì)帶正電，而用毛皮摩擦過的橡膠棒會(huì)帶負(fù)電，一旦將它們靠近驗(yàn)電器上方的導(dǎo)體片時(shí)，自身所帶的電荷會(huì)傳到玻璃鐘罩內(nèi)的箔片上。由于同種電荷相互排斥，金屬箔片將自動(dòng)分開，張成一定角度。根據(jù)兩箔片張角的大小可估計(jì)物體帶電量的大小。但是金屬箔片張角會(huì)隨著時(shí)間慢慢變小，這說明驗(yàn)電器會(huì)自發(fā)放電泄露電荷，也就是說電荷被某個(gè)“小偷”悄無聲息地偷走了。

圖1 庫(kù)侖和驗(yàn)電器示意圖

1903 年，英國(guó)的盧瑟福在庫(kù)侖結(jié)論的基礎(chǔ)上，懷疑“小偷”的身份是輻射：輻射導(dǎo)致大氣電離產(chǎn)生正負(fù)離子，這些正負(fù)離子碰到金屬箔片，中和了金屬箔片上的電荷，在我們看起來就像是“偷”走了驗(yàn)電器中的電荷一樣。于是他用鐵和鉛把驗(yàn)電器完全屏蔽起來，電離速率幾乎可減少約三分之一，但驗(yàn)電器內(nèi)部的空氣還是會(huì)發(fā)生電離，大約是每秒每立方厘米有10 對(duì)離子產(chǎn)生。在論文中盧瑟福提出設(shè)想，也許有某種貫穿力極強(qiáng)的輻射從外面進(jìn)入驗(yàn)電器，從而激發(fā)出二次放射性?，F(xiàn)在嫌疑聚焦在輻射這個(gè)“小偷”身上了，而且這種輻射還不是普通的“小偷”，而是可以自如穿過“由鉛板和鐵板組成的密室”的“怪盜”。那么這個(gè)神秘的“怪盜”的老巢在哪里呢？我們?nèi)绾未_定“怪盜”們的來源呢？

在那個(gè)時(shí)代，人們對(duì)于輻射的認(rèn)知還停留在它們來自于放射性物質(zhì)衰變的水平，放射性元素來自于地殼或者是它們產(chǎn)生的放射性氣體“氡”。如果大氣的電離是由于輻射造成的，那么就會(huì)有相應(yīng)的放射性物質(zhì)源存在。就像火源，火焰就是一個(gè)會(huì)向外輻射熱量的輻射源，當(dāng)我們靠近火源時(shí)，就會(huì)獲得更多熱量，感到熱；遠(yuǎn)離火源時(shí)，就會(huì)感覺到冷。如圖2 所示，野人生火取暖，需要接近火取暖，但也不能離得太近。而放射性物質(zhì)則會(huì)輻射高能量的光子或者是實(shí)物粒子，這些被稱為是電離輻射，如圖3所示。

圖2 野人生火取暖，“火源”就是一種“輻射源”

圖3 放射性和電離輻射

那你覺得這些“怪盜”的老巢在哪里呢？如果要我來說，我會(huì)自然地認(rèn)為這些“怪盜”的老巢就在深深的地下。當(dāng)時(shí)，盧瑟福自然也認(rèn)為這些輻射是來自于地殼中的放射性物質(zhì)導(dǎo)致空氣電離，并且給出了檢驗(yàn)方法：如果這些輻射來自于地殼中的放射性物質(zhì)，那么輻射強(qiáng)度應(yīng)該隨高度增加而減少。

為了確認(rèn)電離的來源，法國(guó)科學(xué)家沃爾夫在1910 年帶著更加靈敏而可靠的新型驗(yàn)電器登上巴黎324 m高的埃菲爾鐵塔，進(jìn)行了比較塔頂和地面兩種情況下的電離強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)。他發(fā)現(xiàn)電離現(xiàn)象隨著高度增加變?nèi)?，在塔頂?shù)妮椛浯蠹s是地面的64%。這一結(jié)果無疑支持了盧瑟福通過屏蔽驗(yàn)電器得出來的結(jié)論：輻射似乎來自地底。

“怪盜”可是狡猾得很，往往會(huì)留下許多假線索，誤導(dǎo)我們?nèi)ネ耆喾吹牡胤綄ふ?。僅憑一次測(cè)量并不能確證輻射來自地底，科學(xué)家會(huì)質(zhì)疑“怪盜”是不是在欺騙我們，需要收集更多的證據(jù)。在沃爾夫的實(shí)驗(yàn)后，意大利物理學(xué)家多米尼克·帕西尼分別在陸地上、海上和熱那亞海灣的水下用驗(yàn)電器做電離測(cè)量，發(fā)現(xiàn)水下的電離率比水面處略低，得出了與前人不同的結(jié)論，即大氣中存在一種與地殼中的放射性物質(zhì)無關(guān)的穿透性輻射。

這讓人們開始懷疑“怪盜”的老巢其實(shí)建立在天上——來自我們頭頂?shù)奶炜眨?912 年8 月，奧地利物理學(xué)家維克托·赫斯進(jìn)行了一次歷史性的氣球飛行(圖4)，當(dāng)他上升到5300 米時(shí)，發(fā)現(xiàn)電離速率增加到海平面的三倍左右！他得出結(jié)論，穿透性輻射是從上方進(jìn)入大氣層的。他發(fā)現(xiàn)了輻射源來自于天上，它們讓空氣發(fā)生了電離！人們似乎抓住了“怪盜”的把柄！

圖4 赫斯與他在氣球?qū)嶒?yàn)中的照片(在氣球里面的是赫斯)

然而，赫斯大膽的結(jié)論在當(dāng)時(shí)并不為所有人接受，因第一個(gè)測(cè)出電子電量而聞名的美國(guó)物理學(xué)家密立根就是其中的一位。密立根把探測(cè)器放在無人操作的氣球上，在15000 米的高空測(cè)到的輻射強(qiáng)度不到赫斯測(cè)量結(jié)果的四分之一。根據(jù)這個(gè)不同于赫斯的結(jié)果，密立根認(rèn)為根本沒有地球之外來的電離輻射，穿透性輻射都來自地面?！肮直I”在自己的老巢前做了很多隱藏自己蹤跡的工作，讓我們?cè)谡嫦嗝媲岸刀缔D(zhuǎn)轉(zhuǎn)。但隨后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，輻射量的差異是因?yàn)槊绹?guó)德州和中歐的地磁場(chǎng)差異引起的。

1926 年，密立根在加利福尼亞州群山中的繆爾湖(Muir Lake，海拔3392 m) 和慈菇湖(Arrowhead Lake，海拔1577 m) 的深處做實(shí)驗(yàn)，把探測(cè)器放置于水下測(cè)量電離速率。通過比較電離速率與湖水深度的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，同樣水深的情況下，探測(cè)器在繆爾湖測(cè)得的電離速率會(huì)快于慈菇湖，只有將繆爾湖的探測(cè)器再往深處下放2 m，兩者的電離速率才接近。也就是說2 米水深對(duì)輻射的吸收作用與近2000 m的空氣相當(dāng)。這一結(jié)果使密立根和更多的人信服了赫斯“輻射一定來自天上”的結(jié)論?！肮直I”的身份和老巢終于被人類調(diào)查得一清二楚：它們實(shí)際上是來自宇宙的高能粒子而非來自地面的放射性物質(zhì)，所以密立根為這些“怪盜”們?nèi)∶麨椤坝钪婢€”。

最終，赫斯的發(fā)現(xiàn)被證明是正確的，并獲得了1936 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這也是宇宙線研究歷史上的第一枚諾獎(jiǎng)。赫斯的高空氣球?qū)嶒?yàn)無疑是科學(xué)探索史上最為壯美的一次飛行。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)指出，“赫斯的發(fā)現(xiàn)開啟了理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)和起源的遠(yuǎn)景，證明了一種地球外穿透性輻射的存在——宇宙線，比發(fā)現(xiàn)輻射的粒子性和輻射強(qiáng)度隨高度變化更加根本”。

在1911 至1913 年期間，赫斯帶著驗(yàn)電器一共飛行了10 次。那個(gè)時(shí)代的氣球飛行可沒法攜帶緩解高原反應(yīng)用的氧氣瓶，赫斯不僅要克服缺氧、高寒和強(qiáng)風(fēng)的艱苦條件進(jìn)行科學(xué)測(cè)量，還要指揮助手控制航線。每一次飛行不僅是一次科學(xué)上的探險(xiǎn)，更是挑戰(zhàn)生命極限的冒險(xiǎn)。在氫氣球下的小小吊籃里，赫斯在罕有人至的高空迎著風(fēng)緊張地進(jìn)行測(cè)量，腳下是被云層覆蓋的城市，這一幕被深深地印刻在一代又一代的宇宙線實(shí)驗(yàn)科學(xué)家的腦海里。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

今天，我們擁有了遠(yuǎn)比驗(yàn)電器更加強(qiáng)大而精確的探測(cè)器，讓我們利用現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)設(shè)備來重新證明宇宙線作為“電荷怪盜”讓空氣電離，以及它們來自宇宙而不是來自地下。首先介紹一下現(xiàn)代宇宙線探測(cè)器的一種——閃爍體探測(cè)器的工作原理。有關(guān)探測(cè)器更為詳細(xì)的描述可以參考同期文章《重走宇宙線發(fā)現(xiàn)之旅》中對(duì)姜堰中學(xué)的宇宙線探測(cè)器陣列和繆子望遠(yuǎn)鏡的介紹。

如圖5 所示，當(dāng)宇宙線帶電粒子進(jìn)入塑料閃爍體時(shí)，會(huì)將自己的一部分能量沉積在塑料閃爍體中，塑料閃爍體的原子或分子受激而產(chǎn)生熒光，這些光被光電倍增管收集，經(jīng)光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電子,然后進(jìn)行千萬倍放大。

圖5 閃爍探測(cè)器工作原理

下面，我們就要將這些真正的“怪盜”給揪出來。

μ子是宇宙線中含量相當(dāng)豐富的粒子，速度近乎是真空中的光速，而且穿透性極強(qiáng)。但是“怪盜”的本領(lǐng)是有限的，只有部分本領(lǐng)高強(qiáng)的“怪盜”才能穿過層層阻礙，偷走驗(yàn)電器上的電荷。μ子也是這樣，它仍然會(huì)被物體所阻擋，例如水、大氣、我們頭頂?shù)奶旎ò?圖6) 等等。所以我們可以通過宇宙線探測(cè)器，看一看我們頭頂?shù)奶旎ò鍖?duì)這些“怪盜”有著怎樣的阻擋效應(yīng)。我們可以將探測(cè)器放置在校舍的不同樓層，統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)每層樓的μ子計(jì)數(shù)，進(jìn)而計(jì)算每層樓的μ子頻數(shù)。我們比較不同層數(shù)的μ子頻數(shù)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)μ子頻數(shù)會(huì)隨著天花板累計(jì)厚度的增加而減少，說明μ子確實(shí)是來自于天上。這說明地面中的放射性物質(zhì)并不是空氣電離的主要來源——我們發(fā)現(xiàn)了“怪盜”來自于天上。

圖6 宇宙線會(huì)受到物體的阻擋，比如校舍的天花板就會(huì)顯著地阻擋宇宙線

那么這些“怪盜”來自于天上的何方呢？μ子是不是來自于天上的某個(gè)方向呢？為此我們需要用兩塊閃爍探測(cè)器搭建一個(gè)指向性的μ子望遠(yuǎn)鏡，來搜索“怪盜”的老巢到底在何方。如圖7 所示，我們測(cè)量不同天頂角θ方向的μ子流量“( 天頂角”是指某方向與當(dāng)?shù)卮怪本€間的夾角)，如果某個(gè)方向μ子流量多的話，就說明這個(gè)方向很有可能是μ子的老巢！

圖7 μ粒子望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，可以傾斜一定角度θ，測(cè)量天頂角θ方向的宇宙線流量

我們可以發(fā)現(xiàn)μ子計(jì)數(shù)率隨著天頂角的增大而減小，所以說μ粒子的老巢是正正好好地在我們頭頂嗎？還記得之前密立根在不同海拔的湖水里做的電離速率的實(shí)驗(yàn)嗎？密里根發(fā)現(xiàn)大氣和水一樣對(duì)宇宙線有阻擋效應(yīng)。大氣看似比固體稀薄，但是厚厚的大氣層對(duì)宇宙線仍然有很強(qiáng)的吸收和散射，從不同天頂角看起來，大氣的厚度就完全不一樣，如圖8 所示。事實(shí)上，宇宙線各向同性地進(jìn)入地球大氣，與地球大氣作用產(chǎn)生我們所探測(cè)到的μ子，μ子的入射方向也幾乎是各向同性的，但由于入射角度不一樣，它們穿過的大氣厚度不一樣，受到的阻擋效應(yīng)便不同——這些電荷“怪盜”就一直在天上的各個(gè)方向，隨時(shí)伺機(jī)穿過層層阻礙偷走電荷！

圖8 μ子計(jì)數(shù)率隨著天頂角θ變化，事實(shí)上是由于不同天頂角下，大氣的厚度不一樣。那么究竟什么是原初宇宙線呢？我們會(huì)在后面幾期慢慢為大家介紹

圖9 2012 年8 月7 日奧地利物理學(xué)家赫斯的兩個(gè)孫子在一塊紀(jì)念碑前合影，這個(gè)紀(jì)念碑位于柏林附近的皮埃斯科夫，上面寫著：“紀(jì)念宇宙射線的發(fā)現(xiàn)”。一百年前赫斯乘坐氫氣球在皮埃斯科夫附近著陸

四、小結(jié)

1. 空氣電離除了來自于地表可能存在的放射性物質(zhì)之外，還來自于宇宙線；

2. 探測(cè)器計(jì)數(shù)率越高，說明單位時(shí)間內(nèi)打在探測(cè)器上的宇宙線粒子越多；

3. 宇宙射線會(huì)穿過物質(zhì)，有一部分會(huì)被“吸收”和“散射”，計(jì)數(shù)率會(huì)減少；

4. 宇宙射線的計(jì)數(shù)率會(huì)隨著天頂角而變化，這個(gè)是由于不同天頂角大氣厚度不一樣，導(dǎo)致宇宙線被“吸收”和“散射”的程度不一樣。

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“現(xiàn)代物理知識(shí)雜志”，選自《現(xiàn)代物理知識(shí)》2022年第3期，YWA編輯，原標(biāo)題為《重走宇宙線發(fā)現(xiàn)之旅丨空氣電離之謎》