【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。 

第十二章宇宙射线和基本粒子

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】 

§12-1宇宙射线

【01】放射性元素所放出来的射线可以使气体电离。1901年人们发现整个大气层都处在微弱的电离状态下，尽管空气很干燥，带电的验电器也会慢慢地放电（和大气中的离子中和）。起先，人们以为这是地壳中有放射性元素存在的缘故。为了研究这种现象，1910年科学家们用气球把验电器带到高空去做实验，结果发现空气的电离程度在离开地面 1 公里以上是随着高度的增加而迅速增大的。如果空气的电离是由于地壳内放射性元素的射线所引起的话，那么电离的程度就应当随着高度的增加而减小，因为高度越大，射线穿过的空气层也就越厚，射线的强度减弱得也就越厉害。可见，使大气处在微弱电离状态的原因，不是由于地壳内存在着放射性元素的缘故，而是由于来自宇宙空间的某些射线进入大气层引起的结果。科学家们通过进一步研究已经完全证实了这一论断，我们就把这种来自宇宙空间的能量很高的射线叫做宇宙射线。

【02】从宇宙空间射下来的这种宇宙射线，不仅能够穿过很厚的大气层到达地面，甚至能够穿过 1000 米深的湖水，这表明它的穿透本领很大，能量很高。经过测定得知，它的能量一般达到 10⁹~10¹º 电子伏特；刚刚进入大气层的初级宇宙射线，能量甚至达到 10¹⁵ 电子伏特；能量强大的宇宙射线在穿过 10 厘米厚的铅板后，射线的强度仅仅减小 30%，如果再穿过 1 米厚的铅板，强度也只减少一半。这一部分射线是宇宙射线中的硬性部分，其余能量较低、穿透本领较小的就是宇宙射线中的软性部分。

【03】这种能量强大的宇宙射线是由什么组成的呢？根据科学家们用威尔逊云室和计数器在高空探测的结果得知，初级宇宙射线是由带正电的高能量的粒子组成的，其中约有 80% 是质子，20% 是 α 粒子，此外，还有极少量的（约1%）包含从锂到铁各种质量较大的原子核；初级宇宙射线进入大气层以后，与大气中的原子核相互作用而产生了一系列的新的粒子，这些粒子的射线束称做次级宇宙射线，这样就构成了全部的宇宙射线。

【04】在次级宇宙射线中又含有哪些粒子呢？从高空大气层探测的研究中曾发现有电子、γ 光子等粒子存在，1932年安德逊在宇宙射线中还发现有带正电的电子——正电子，图12·1所示的就是所拍摄到的正电子穿过云雾室中铅板后在磁场中偏转的径迹，根据径迹偏转的方向和穿过铅板时曲率的改变，就知道这种粒子所带的电荷与电子相反，而电量和质量都与电子相同，正电子就是这样第一次在宇宙射线中被发现的。1937年以后，科学家们通过对宇宙射线的巨大穿透本领的研究和应用了照相乳胶探测带电粒子的技术，终于发现了宇宙射线中还存在着另外一种新粒子，它的质量介于电子和质子之间，所以称做介子。介子可以分为 π 介子、μ 介子和 K 介子三大类，它们有的带正电，有的带负电，也有不带电的。介子从产生到转变为别种粒子，所经历的平均时间（又称做平均寿命）是非常短促的，只有 10⁻⁸ 秒，甚至更短。现在已经知道，宇宙射线中的硬性部分就是由介子组成的（这种粒子的穿透本领很大），而宇宙射线中的软性部分则是由电子、正电子和 γ 光子组成。

【05】近几年来，在宇宙射线中还发现了质量超过质子 340 倍（超过电子质量二千多倍）的粒子——超子。超子的寿命更短，只有 10⁻¹º 秒左右，它很快就转变成为另一种粒子。关于次级宇宙射线中的其他一些粒子这里就不一一详述了。

【06】宇宙射线中粒子的能量是十分巨大的，穿透本领也很强，这种射线对人体有没有影响呢？宇宙射线的能量能不能加以利用呢？根据所测量的数据统计：平均每一分钟射到每一平方厘米海平面上的宇宙射线粒子只有 1.5 个，直到现在还没有发现过，宇宙射线对有机生命有什么影响，甚至可以相信，在未来的宇宙航行中，只要有适当的防护装置，它对飞行员的健康也不会有什么严重的威胁。至于宇宙射线粒子的能量，就每一个粒子来说是巨大的，但由于粒子的密度很小，显然不能象太阳能那样作为一种天然的能源来加以利用。可以作这样一个比较：在射到一平方厘米地球表面上来的太阳光中，每一分钟大约有 3×10¹⁹ 个光子，而在相同的情况下射来的宇宙射线粒子却只有 1.5 个，如果把射到一百平方公里面积上的宇宙射线的全部能量汇集起来加以利用，也只不过相当于 1 匹马力的发电机而已！尽管如此，研究宇宙的意义却是十分重大的。通过对于宇宙射线的研究，科学家们发现了不少新的粒子，并且获得了在高能粒子作用下的原子核的转变和粒子互相转化的新资料，这对搞清楚物质结构和粒子的特性都有很大的价值。所以现在科学家们正在应用巨大的加速器来使各种原子核达到相当于初级宇宙射线所具有的能量，以便在实验室的条件下重新产生和研究宇宙射线中所观察到的一切重要的现象。另外，宇宙射线的研究对了解其他星球上物质的成分，星球所产生的磁场的特性和天文学上的一些基本问题，都有着很重要的意义。

习题12-1

1、什么叫宇宙射线？

2、初级宇宙射线是由什么组成的？

3、什么是次级宇宙射线？