Если в воздухе нет ионов, то заряженный электроскоп должен сохранять свой заряд неопределенно долгое время. Однако опыт показывает, что электроскоп постепенно разряжается.
Вначале это явление объясняли ионизирующим действием радиоактивного излучения Земли. Если это так, то по мере удаления от поверхности Земли ионизирующее воздух излучение должно ослабевать. Еще в 1912 г. с помощью воздушных шаров было установлено, что интенсивность ионизирующего излучения возрастает с увеличением высоты. Следовательно, это излучение возникает не на Земле, а где-то в мировом пространстве. Поэтому его стали называть космическими лучами.
Изучение космических лучей в высокогорных областях показало, что они состоят из пионов, протонов, нейтронов и других частиц, среди которых были обнаружены и многие не известные ранее частицы. Эти частицы были названы вторичными частицами, так как выяснилось, что они образуются в верхних слоях атмосферы при взаимодействии первичных космических частиц, летящих из мирового пространства, с ядрами атомов атмосферы.
Исследования показали, что интенсивность космических лучей вблизи магнитных полюсов Земли примерно в 1,5 раза больше, чем на экваторе. Изучение отклоняющего действия магнитного поля Земли на первичное космическое излучение показало, что оно состоит из положительно заряженных частиц. Много ценных сведений о первичном космическом излучении получено с помощью искусственных спутников и космических кораблей.
В настоящее время установлено, что первичное космическое излучение состоит из стабильных частиц высоких энергий, летящих в самых различных направлениях в космическом пространстве. Интенсивность космического излучения в районе Солнечной системы составляет в среднем 2—4 частицы на 1 см2 за 1 с. Оно состоит в основном из протонов (~91%) и α-частиц (6,6%); небольшая часть приходится на ядра других элементов (менее 1%) и электроны (~1,5%).
Среднее значение энергии космических частиц — около 104 МэВ, а энергия отдельных частиц достигает чрезвычайно высоких значений: 1012 МэВ и более. Где возникают космические частицы и как они ускоряются до таких огромных энергий, еще точно неизвестно. Предполагают, что они выбрасываются при взрывах новых и сверхновых звезд и ускоряются при взаимодействии с неоднородными магнитными полями в межзвездном пространстве.
Солнце периодически (во время вспышек) испускает солнечные космические лучи, которые состоят в основном из протонов и α-частиц, имеют небольшую энергию, но высокую интенсивность, что приходится учитывать при планировании космических полетов.
Вторичные частицы также обладают очень высокой энергией и при столкновении с ядрами вызывают дальнейшее размножение частиц.
На рис. 38.1 показана зафиксированная на толстослойной фотопластине увеличенная картина разрушения атомного ядра при попадании в него частицы большой энергии (около 2*103 МэВ). След ударившей в ядро частицы невидим (по-видимому, это нейтрон). Ядро распалось на 17 частиц, разлетевшихся в разные стороны.
В результате лавинообразного размножения частиц в верхних слоях атмосферы образуется каскадный ядерный ливень. На рис. 38.2 изображен искусственный каскадный ливень, полученный в камере Вильсона, перегороженной свинцовыми пластинами. Частица высокой энергии, проходя через слой свинца, создает ливень частиц, которые при прохождении следующих слоев свинца создают новые ливни.
Ядерный ливень в атмосфере затухает, когда энергия частиц снижается до нескольких десятков мегаэлектронвольт. Остаток энергии протоны тратят на ионизацию воздуха; нейтроны поглощаются ядрами, вызывая различные ядерные реакции, а пионы, составляющие основную часть ливневых частиц, распадаются. Образующиеся в большом количестве фотоны и электроны сильно поглощаются атмосферой.
Нейтральные пионы очень быстро превращаются в два фотона высокой энергии. При распаде заряженных пионов образуются новые частицы — μ-мезоны, или мюоны, которые были открыты К. Андерсоном в 1935 г. при изучении космических лучей, задолго до открытия пионов. Масса мюона в 207 раз больше массы электрона, т. е. составляет около 3/4 массы пиона. Существуют мюоны только двух видов — положительно и отрицательно заряженные; они обозначаются μ+ и μ—. При распаде π+-мезонов образуются μ+-мезоны, а при распаде π—-мезонов — μ—-мезоны.
Оказывается, что, в отличие от пионов, мюоны не участвуют в ядерных взаимодействиях и расходуют энергию только на ионизацию. Поэтому они обладают высокой проникающей способностью и составляют так называемую жесткую компоненту космического излучения. Мюоны пролетают сквозь атмосферу, и их обнаруживают даже на значительной глубине под поверхностью Земли.
Мюоны нестабильны, они существуют всего несколько микросекунд и распадаются на другие частицы.
На уровне моря космическое излучение имеет примерно в сто раз меньшую интенсивность, чем на границе атмосферы, и состоит в основном из мюонов. Остальную часть составляют электронный фотоны и незначительное количество ливневых частиц. Из первичного космического излучения только отдельные частицы, с исключительно высокой энергией (более 107 МэВ), пробиваются сквозь атмосферу.
В космических лучах мюоны, как и пионы, летят со скоростями, близкими к скорости света, и поэтому благодаря релятивистскому замедлению времени успевают до своего распада пролететь большие расстояния.
