【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會(huì)”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個(gè)世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計(jì)算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。?

第十二章宇宙射線和基本粒子

【山話||? 本系列專欄中的力單位達(dá)因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳；熱量的單位卡路里等于4.186焦耳；電荷的單位靜庫（1庫倫=3×10?靜庫）；電勢的單位靜伏等于300伏特。另外這套老教材中力的單位常用公斤、克等，但如今是不允許的，力是不能使用質(zhì)量單位的。】?

§12-1宇宙射線

【01】放射性元素所放出來的射線可以使氣體電離。1901年人們發(fā)現(xiàn)整個(gè)大氣層都處在微弱的電離狀態(tài)下，盡管空氣很干燥，帶電的驗(yàn)電器也會(huì)慢慢地放電（和大氣中的離子中和）。起先，人們以為這是地殼中有放射性元素存在的緣故。為了研究這種現(xiàn)象，1910年科學(xué)家們用氣球把驗(yàn)電器帶到高空去做實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)空氣的電離程度在離開地面 1 公里以上是隨著高度的增加而迅速增大的。如果空氣的電離是由于地殼內(nèi)放射性元素的射線所引起的話，那么電離的程度就應(yīng)當(dāng)隨著高度的增加而減小，因?yàn)楦叨仍酱?，射線穿過的空氣層也就越厚，射線的強(qiáng)度減弱得也就越厲害?？梢?，使大氣處在微弱電離狀態(tài)的原因，不是由于地殼內(nèi)存在著放射性元素的緣故，而是由于來自宇宙空間的某些射線進(jìn)入大氣層引起的結(jié)果?？茖W(xué)家們通過進(jìn)一步研究已經(jīng)完全證實(shí)了這一論斷，我們就把這種來自宇宙空間的能量很高的射線叫做宇宙射線。

【02】從宇宙空間射下來的這種宇宙射線，不僅能夠穿過很厚的大氣層到達(dá)地面，甚至能夠穿過 1000 米深的湖水，這表明它的穿透本領(lǐng)很大，能量很高。經(jīng)過測定得知，它的能量一般達(dá)到 10?~101o 電子伏特；剛剛進(jìn)入大氣層的初級宇宙射線，能量甚至達(dá)到 101? 電子伏特；能量強(qiáng)大的宇宙射線在穿過 10 厘米厚的鉛板后，射線的強(qiáng)度僅僅減小 30%，如果再穿過 1 米厚的鉛板，強(qiáng)度也只減少一半。這一部分射線是宇宙射線中的硬性部分，其余能量較低、穿透本領(lǐng)較小的就是宇宙射線中的軟性部分。

【03】這種能量強(qiáng)大的宇宙射線是由什么組成的呢？根據(jù)科學(xué)家們用威爾遜云室和計(jì)數(shù)器在高空探測的結(jié)果得知，初級宇宙射線是由帶正電的高能量的粒子組成的，其中約有 80% 是質(zhì)子，20% 是 α 粒子，此外，還有極少量的（約1%）包含從鋰到鐵各種質(zhì)量較大的原子核；初級宇宙射線進(jìn)入大氣層以后，與大氣中的原子核相互作用而產(chǎn)生了一系列的新的粒子，這些粒子的射線束稱做次級宇宙射線，這樣就構(gòu)成了全部的宇宙射線。

【04】在次級宇宙射線中又含有哪些粒子呢？從高空大氣層探測的研究中曾發(fā)現(xiàn)有電子、γ 光子等粒子存在，1932年安德遜在宇宙射線中還發(fā)現(xiàn)有帶正電的電子——正電子，圖12·1所示的就是所拍攝到的正電子穿過云霧室中鉛板后在磁場中偏轉(zhuǎn)的徑跡，根據(jù)徑跡偏轉(zhuǎn)的方向和穿過鉛板時(shí)曲率的改變，就知道這種粒子所帶的電荷與電子相反，而電量和質(zhì)量都與電子相同，正電子就是這樣第一次在宇宙射線中被發(fā)現(xiàn)的。1937年以后，科學(xué)家們通過對宇宙射線的巨大穿透本領(lǐng)的研究和應(yīng)用了照相乳膠探測帶電粒子的技術(shù)，終于發(fā)現(xiàn)了宇宙射線中還存在著另外一種新粒子，它的質(zhì)量介于電子和質(zhì)子之間，所以稱做介子。介子可以分為 π 介子、μ 介子和 K 介子三大類，它們有的帶正電，有的帶負(fù)電，也有不帶電的。介子從產(chǎn)生到轉(zhuǎn)變?yōu)閯e種粒子，所經(jīng)歷的平均時(shí)間（又稱做平均壽命）是非常短促的，只有 10?? 秒，甚至更短?，F(xiàn)在已經(jīng)知道，宇宙射線中的硬性部分就是由介子組成的（這種粒子的穿透本領(lǐng)很大），而宇宙射線中的軟性部分則是由電子、正電子和 γ 光子組成。

【05】近幾年來，在宇宙射線中還發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量超過質(zhì)子 340 倍（超過電子質(zhì)量二千多倍）的粒子——超子。超子的壽命更短，只有 10?1o 秒左右，它很快就轉(zhuǎn)變成為另一種粒子。關(guān)于次級宇宙射線中的其他一些粒子這里就不一一詳述了。

【06】宇宙射線中粒子的能量是十分巨大的，穿透本領(lǐng)也很強(qiáng)，這種射線對人體有沒有影響呢？宇宙射線的能量能不能加以利用呢？根據(jù)所測量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：平均每一分鐘射到每一平方厘米海平面上的宇宙射線粒子只有 1.5 個(gè)，直到現(xiàn)在還沒有發(fā)現(xiàn)過，宇宙射線對有機(jī)生命有什么影響，甚至可以相信，在未來的宇宙航行中，只要有適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)裝置，它對飛行員的健康也不會(huì)有什么嚴(yán)重的威脅。至于宇宙射線粒子的能量，就每一個(gè)粒子來說是巨大的，但由于粒子的密度很小，顯然不能象太陽能那樣作為一種天然的能源來加以利用?？梢宰鬟@樣一個(gè)比較：在射到一平方厘米地球表面上來的太陽光中，每一分鐘大約有 3×101? 個(gè)光子，而在相同的情況下射來的宇宙射線粒子卻只有 1.5 個(gè)，如果把射到一百平方公里面積上的宇宙射線的全部能量匯集起來加以利用，也只不過相當(dāng)于 1 匹馬力的發(fā)電機(jī)而已！盡管如此，研究宇宙的意義卻是十分重大的。通過對于宇宙射線的研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了不少新的粒子，并且獲得了在高能粒子作用下的原子核的轉(zhuǎn)變和粒子互相轉(zhuǎn)化的新資料，這對搞清楚物質(zhì)結(jié)構(gòu)和粒子的特性都有很大的價(jià)值。所以現(xiàn)在科學(xué)家們正在應(yīng)用巨大的加速器來使各種原子核達(dá)到相當(dāng)于初級宇宙射線所具有的能量，以便在實(shí)驗(yàn)室的條件下重新產(chǎn)生和研究宇宙射線中所觀察到的一切重要的現(xiàn)象。另外，宇宙射線的研究對了解其他星球上物質(zhì)的成分，星球所產(chǎn)生的磁場的特性和天文學(xué)上的一些基本問題，都有著很重要的意義。

習(xí)題12-1

1、什么叫宇宙射線？

2、初級宇宙射線是由什么組成的？

3、什么是次級宇宙射線？