宇宙射线和它的孩儿们——宇生核素

学过高中物理的同学想必都听说过X射线、γ射线、α射线、β射线等等，可你们知道宇宙射线是什吗？名字起地霸气侧漏，与众不同，是不是有什么特别之处呢？是的，非常特别！！！它的发现奠定了粒子物理学的基础。同时它与表层地球系统物质发生核反应生成的宇宙成因核素，是第四纪年代学的重要组成部分，也为人们定量重建陆表地质过程提供了绝佳的研究材料。接下来我们就为大家简单科普一下宇宙射线及其与地球母亲相互作用的产物——宇宙成因核素。

地球周边的宇宙射线/NASA网站

宇宙射线

宇宙射线是宇宙空间高能带电粒子流的总称。1912年，奥地利物理学家赫斯乘坐热气球，进行了七次科学实验，发现在海拔1000米以上，仪器测量的放电速率随海拔持续增加，在海拔5000米的高空，放电速率为地表4倍。这明确地说明，这种射线与地表无关，又由于白天和夜晚测试结果相同，排除了太阳起源，赫斯认为这种射线来源于宇宙空间。之后于1914年，德国物理学家柯尔霍斯特将热气球升至9300米的新高度，并在这个海拔上，测得的电离电流比地表高约40倍。1925年美国物理学家密立根通过巧妙的实验证实了赫斯的判断，并将这种射线称之为“Cosmic rays”，即宇宙射线。

赫斯乘坐热气球探测宇宙射线

赫斯乘坐热气球及他与柯尔霍斯特观测结果/修改自维基百科

在1940年左右，由于粒子加速器刚刚起步，宇宙射线作为高能粒子源（最高能量可达现今人工加速粒子最高值的3000倍），是当时唯一能轰开原子核的“粒子炮弹”，产出了许多重大成果。其中比较著名的有1932年安德森利用磁云雾室发现了第一个反物质粒子——正电子，1936年安德森和内德梅耶在云雾室中观测到了u子，1947年鲍威尔等发现了π介子，1947年罗彻斯特等在宇宙射线中发现了K0和Λ等奇异粒子，之后又有人发现了一系列超子(∑±，∑0，Ξ0，Ξ－ )和K± 介子等。这些发现打开了微观世界的神秘大门，促成了粒子物理学的诞生和人工加速器的发展。

地球大气层外，尚未与大气发生相互作用的宇宙射线称为初级宇宙射线，其成分主要为质子和α粒子，其次是从锂核到铁核等多种元素的离子核以及微量的电子和μ子等。初级宇宙射线大致可分为银河系宇宙射线(Galactic Cosmic Rays，GCR)和太阳高能粒子(Solar Energetic Particles，SEP)。

宇宙射线全粒子能谱图

银河系宇宙射线来源于银河系内超新星的爆发，其由约87%的质子和约12%的α粒子等组成，能量多在0.1GeV-100GeV之间变化，能量高，通量较低。

超新星爆发过程

太阳高能粒子(SEP)来源于太阳自身核聚变过程中向太阳系释放出的高能粒子，其由约90%的质子、9%的电子和1%重离子核组成，能量多在1-1000 MeV之间变化，能量低，但通量高。

太阳日珥爆发/NASA 网站

宇宙成因核素

宇宙成因核素是由宇宙射线与表层地球系统物质发生核反应生成。初级宇宙射线进入大气圈后，会与大气中的靶元素(主要为N、O、Ar和Xe等元素)发生核反应而产生大量的次级粒子，紧接着次级粒子继续与空气中的靶元素发生新的核反应并产生新的次级粒子，主要有强子、电子、光子和μ子等成分，最终次级粒子数目会非常巨大，形成广延大气簇射(Extensive Air Shower，EAS)。

广延大气簇射

大气宇宙成因核素

在此过程中，空气中的N、O、Ar和Xe等元素会通过蜕变，中子捕获和介子反应等核反应，形成一系列的稳定核素（³He、²¹Ne等）和放射性核素(¹⁴C、¹⁰Be、²⁶Al、³⁶Cl和¹²⁹I等)，即大气宇宙成因核素。大气宇宙成因核素在定年，示踪太阳和地磁场活动等方面具有不可替代的独特性。

次级宇宙射线到达地表后会与地表岩石矿物中的元素发生核反应，使其中的O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等元素发生蜕变，中子捕获和介子反应等，生成一系列稳定核素(³He、²¹Ne等)和放射性核素(¹⁴C、¹⁰Be、²⁶Al和³⁶Cl等)，即就地宇宙成因核素。

就地宇宙成因核素¹⁰Be在石英中的生成过程

经过60多年的科学研究以及仪器分析技术的进步，就地宇宙成因核素在产率模型、暴露测年、侵蚀速率以及埋藏年龄等理论取得了长足的进步，其在百年到百万年时间尺度上，定量重建陆表地质过程方面具有独特的优势，已经在冰川地貌年代学、流域侵蚀速率、滑坡和断层年代学、火山喷发年代学、古人类学、河流和湖泊阶地年代学、埋藏年代学等方面广泛应用。

宇宙成因核素的应用领域

既然宇宙射线能量这么高，它会不会对我们身体造成危害呢。放心，影响几乎可以忽略不计，这里呀，先把结果告诉你。预知具体的原因，且看下次，我们来聊一聊，宇宙射线在奔向地球的过程中，是如何“过五关，斩六将”，最终“败走麦城”，绽放成“绚丽的烟火”，湮没在大气的怀抱中。

宇宙射线穿越星空，来到地球的路径/Bing 图片

原文发布时间为：2018-09-6

本文作者：周杰

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