Kosmičko zračenje

S Vikipedije, slobodne enciklopedije
Energetski spektar kosmičkog zračenja

Kosmičko zračenje je vrsta prirodnog jonizujućeg zračenje koje stiže do površine Zemlje iz kosmosa i sastoji se od tzv. galaktičkog kosmičkog zračenja i zračenja sa Sunca. U energetskom opsegu od 10 12 -10 15 eV, kosmički zraci koji dosežu do ivice Zemljine atmosfere se sastoje od: ~ 50% protona, ~ 25% alfa čestica, ~ 13% C/N /O jezgara, <1% elektrona, <0,1% gama zraka

Svemir je prožet radioaktivnim zračenjem različite vrste i porekla. Prema pretpostavkama naučnika u najranijoj istoriji svemira nije bio materija kakvu danas poznajemo, nego se cela njegova masa sastojala zapravo od zračenja.

Tek neznatan deo kosmičkog zračenja se probija kroz Zemljinu atmosferu i njeno magnetsko polje i dospeva do površine Zemlje. Jedan deo skrene Zemljino magnetsko polje, a većina preostalog zračenja gubi energiju u sudarima prilikom prolaska kroz atmosferu. Tako nastaju i tzv. kosmički radionuklidi, ali i prava kaskada sekundarnog zračenja, od kojega znatan deo prodire u niže slojeve atmosfere pa i do same površine Zemlje.

Istorija[uredi | uredi izvor]

Kosmičko zračenje uz pomoć balona prvi je otkrio Viktor F. Hes

Početkom 1900, francuski fizičar Anri Bekerel otkrio je da su određeni hemijski elementi nestabilni, i da se pretvaraju u druge elemente, te da u tom procesu, emituju „čestice“. Ove „čestice“ su dobile ime „radijacija“, a sam proces je nazvan „radioaktivno raspadanje“.

Prva istraživanja nepoznate jonizujuće radijacije izveli su: Radeford, Kuk, Vulf, Gokel, Hes Kolherster, Milken, Bote i dr. Njihova istraživanja dovela su do otkrića zračenja velike prodorne moći koje potiče izvan zemlje i njene atmosfere.

Fizičari su nakon otkrića mernog instrumenta, elektroskopa, primetili da se i u odsustvu radioaktivne materije naelektrisani elektroskop, zatvoren u olovni sud debelih zidova, posle izvesnog vremena razelektriše, što po njima nije bila posledica „curenja“ zračenja iz nekih elemenata ili hemijskih procesa. Oni su to objasnili postojanjem tzv pozadinskog ili prirodnog zračenja.

U kosmičko poreklo dela pozadinskog zračenja posumnjalo se na osnovu potvrđenih merenja koja su pokazala da na visinama do 1.000 m postoji nešto manji intenzitet jonizacije atoma vazduha, i da bi se intenzitet jonizacije vazduha mnogo brže smanjivao sa povećanjem visine, kad bi se se uzrok tih procesa nalazio samo na Zemlji.

Istraživanja kosmičkog ili pozadinskog zračenja prvi je započeo 1912. austrijski fizičar Viktor Franc Hes koji je merenje nivoa radijacije pomoću elektroskopa vršio iz balona na različitim visinama. Cilj ove Hesove studije bio je da merenje zračenja obavi na što većoj udaljenosti elektroskopa (mernog instrumenta) od zračenja iz zemlje (tla). Hes je, istraživanja vršio na visini do 5.300 metara u svom balonu, bez boca za kiseonik. Tom prilikom utvrdio je da se nivo zračenja povećava sa nadmorskom visinom i da je ono tri puta veća od onog na površini u nivou mora. Ove rezultate merenja tumačio je postojanjem prirodnog zračenje koje u zemljinu atmosferu najverovatnije dospeva iz kosmosa. Kako snaga zračenja nije zavisila od doba dana ili noći, Hes je zaključio da ono ne dolazi sa Sunca, već da je kosmičkog porekla.

Kada je potvrđeno da na većim visinama od 1.000 metara intenzitet jonizacije vazduha naglo raste, više nije bilo nikakve sumnje i naučna javnost je prihvatila da zračenje na visini ima kosmičko poreklo. Ovoj fenomen Hes je nazvao „visinsko zračenje“. Termin je 1925. Milken zamenio novim koji se i danas koristi - „kosmičko zračenje“. Za istorijsko otkriće kosmičkih zraka Viktor Franc Hes je nagrađen Nobelovom nagradom, doduše tek posle Prvog svetskog rata.[1]

Kako je čovek sve više osvajao kosmički prostor, a on postao sve više čovekova životna sredina istraživanja kosmičkog zračenja su postala a i danas su sve interesantnija i značajnija. Kosmičko zračenje se danas proučava pomoću raznih instrumenata-detektora (jonizacionih komora, brojača, nuklearnih fotoemulzija itd), koji se podižu na velike visine balonima, raketama ili kosmičkim brodovima.[2]

Vrste zračenje iz svemira[uredi | uredi izvor]

Difuzno elektromagnetsko zračenje koje na Zemlju dolaze iz svih delova Svemira sastoji se od;[5]

  • (CMB) - kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja (engl. cosmic microwave background (CMB)),
  • (CXB) - kosmičkog pozadinskog H zračenja (engl. cosmic X-ray background (CXB)),
  • (CIB) - kosmičkog infracrvenog pozadinskog zračenja (engl. cosmic infrared background (CIB)),
  • (COB) - svetlosnog pozadinsko kosmičko zračenje (engl. cosmic optical background (COB)).

Od navedenih komponenti zračenja, (CMB) zračenje je daleko najveće, sa ukupnim intenzitetom 996 nW/m2/steradian (nW = nanovata, ili 10-9 W; “steradian” je prostorni ugao koji je otvoren jedan radijan). Kosmičko infracrveno pozadinsko zračenje je ukupnog intenziteta od 34 nW/m2/sr, dok kosmičko infracrveno i svetlosno pozadinsko kosmičko zračenje su zajedno ukupno intenzitet nešto manje od 60 nW/m2/sr. Zajedno infracrveno i svetlosno pozadinsko zračenje predstavljaju oko 9% od intenziteta (CMB) zračenja.

Galaktičko kosmičko zračenje[uredi | uredi izvor]

Izvor kosmičkog zračenja nije skoncentrisan na jednom mestu (kao što se u početku mislilo da je Sunce), već to zračenje dolazi iz celog kosmičkog prostora. Jonizujuće zračenje koje dospeva do Zemlje pristiže ravnomerno iz svih pravaca, nastaje izvan Sunčevog sistema, u procesima koji još nisu dovoljno poznati. Intenzitet tog zračenja ne zavisi od tog da li je dan ili noć, kao ni od godišnjeg doba. Tipične energije 100 do 10.000 MeV isključuju mogućnost da je to zračenje nastalo izvan naše galaksije. No, ima i zračenja znatno veće energije, ali je njihov udeo u ukupnom zračenju utoliko manji ukoliko im je energija veća. Malobrojne čestice kojima je energija na milijarde puta veća od tipičnih vrednosti mogle bi da potiču i iz drugih galaksija.

Primarno galaktičko zračenje se sastoji uglavnom od protona. Svi prirodnih elemenata u periodnom sistemu su prisutni u kosmičkim zracima, u približno istom procentu kao što se javljaju u solarnom sistemu. Ali postoje razlike u detaljima kao „otisak prsta“ koje zavise od izvora kosmičkog zračenja. Oko 90% kosmičkog zračenja čine jezgara vodonika (protoni), oko 9% helijuma (alfa čestice), dok svi ostale elemente čine samo 1%. Čak i u ovom jednom procentu postoje veoma retki elementi i izotopi.[6]

Elektroni i alfa čestice učestvuju svaki sa oko 5%, a gama zraci još manje. Atomsko jezgreo ostalih elemenata (teški joni) zajedno ne čine jedva 1% ali zbog velike energije njihov doprinos ozračenju nije sasvim zanemarljivo (najznačajnija su jezgra gvožđa). Kosmički zraci skreću u magnetskom polju Zemlje i intenzitet tog zračenja zavisi od geografske širine tog mesta na Zemlji. Time je dokazano da su u sastavu kosmičkog zračenja naelektrisane čestice.

Zračenje sa Sunca[uredi | uredi izvor]

Osim svetlosti i drugih bezopasnih elektromagnetskih talasa, sa Sunca nam stiže i neprekidan tok jonizujućeg zračenja, pretežno protona, koje se često naziva „Sunčevim vetrom ". Intenzitet procesa na Suncu menja se u ciklusima od oko 11 godina. U vreme povećane Sunčeve aktivnosti naglo raste i broj čestica i njihova energija; pojave kao što su tzv. bljeskovi mogu izazvati pravu kišu zračenja koje traje dan ili dva. No, promene u magnetskom polju, vezane uz te solarne aktivnosti, istovremeno ometaju tok galaktičkog kosmičkog zračenja, tako da je ukupno ozračenje pri tlu zemlje manje za vreme tih aktivnosti negoli u mirnijim periodima.

Energija jonizujućeg zračenja sa Sunca znatno je manja od galaktičke (obično ispod 1 MeV, a i prilikom pojačane Sunčeve aktivnosti tek izuzetno premašuje 100 MeV), pa je i njihov doprinos ozračenja površine Zemlje mali, iako je ukupna energija Sunčevog zračenja pre ulaska u atmosferu veća od galaktičkog, zahvaljujući brojnosti čestica. Zato to zračenje može biti opasno za svemirske letove, posebno u vreme maksimalne solarne aktivnosti.

Kosmičko zračenje na površini zemlje[uredi | uredi izvor]

U prirodi postoje dve osnovne vrste kosmičkog zračenja: primarno i sekundarno. Iznad otprilike 25 kilometara nadmorske visine preovladava primarno zračenje iz svemira. Ispod te približne granice, dakle u celom području u kojem ljudi borave (uključujući i letove avionom), veći značaj ima sekundarno zračenje koje od primarnog prelazi u sekundarno u sudarima sa molekulima vazduha. Hipoteze o poreklu kosmičkog zračenja uglavnom se zasnivaju na podacima o primarnim kosmičkim česticama: energiji, sastavnim komponentama, prostornom rasporedu, intenzitetu itd.

Jedna primarna čestica od oko bilion MeV (kakve nisu preterano retke, budući da su otkriveni i zraci sto puta veće energije) može proizvesti desetak hiljada sekundarnih čestica u lancu nuklearnih reakcija i raspada koji se protežu do površine Zemlje.

Primarno kosmičko zračenje[uredi | uredi izvor]

Primarno kosmičko zračenje javlja se na visinama izvan atmosfere Zemlje i čine ga pretežno jezgra atoma lakih hemijskih elemenata. To su uglavnom protoni, jezgra atoma helijuma, litijuma, berilijuma, bora, ugljenika, azota itd. Pronađena su i jezgra atoma hemijskih elemenata srednjeg dela Periodnog sistema elemenata (npr gvožđe).

Prosečna energija čestica primarnog kosmičkog zračenja je oko 10 GeV. Međutim, dokazano je da postoje i čestice sa energijom i do 1011 GeV.

Smatra se da u primarnom kosmičkom zračenju naelektrisane čestice dobijaju veliku energiju usled ubrzanja koja one stiču u džinovskim elektromagnetskim poljima zvezda i Sunca ili u rezultantnom elektromagnetskom polju tih nebeskih tela. Kad naelektrisane čestice dostignu izuzetno veliku brzinu (energiju), one izleću iz sfere delovanja tih polja u kosmička prostranstva. S obzirom na to da je reč o magnetskim poljima kosmičkih razmera, čestice se raspoređuju kroz kosmički prostor, tako da ne postoje posebno privilegovani pravci njihovog kretanja. Utvrđena je približno ravnomerna raspodela u delu kosmičkog prostora koji je do sada proučen.

Sekundarno kosmičko zračenje[uredi | uredi izvor]

Sekundarno kosmičko zračenje nastaje kao interakcija primarnog kosmičkog zračenja sa molekulima (atomima) Zemljine atmosfere. Na visinama manjim od 20 km, praktično postoji samo sekundarno kosmičko zračenje, koje uglavnom i dospeva na Zemlju. U sastavu sekundarnog kosmičkog zračenja postoje dve osnovne komponente: tvrda i meka.

  • Meku komponentu sekundarnog kosmičkog zračenje Zemlje, čini lavina elektronsko-pozitronskih parova i fotoni koji se pojavljuju kao rezultat raspada neutralnog piona (π0 - mezon: π0 → γ + γ) i naglog kočenja (zaustavljanja) brzih elektrona, prilikom prolaska pored jezgra atoma vazduha. Prolazeći pored atomskog jezgra, γ-foton se transformiše u elektronsko-pozitronski par. Zaustavljanje tih čestica dovodi ponovo do obrazovanja γ-fotona itd Procesi obrazovanja elektronsko pozitronskih parova i γ-fotona naizmenično se smenjuju, sve dok energija γ-fotona ne postane nedovoljna za obrazovanje tih elektronsko-pozitronskih parova. Pošto je energija prvonastalog γ-fotona veoma velika, može se pojaviti veliki broj generacija sekundarnih čestica, ali sa sve manjom i manjom energijom. Pošto prosečna energija čestica meke komponente sekundarnog kosmičkog zračenja nije velika, one se gotovo potpuno apsorbuju (zaustavljaju) olovom debljine 10 cm.
  • Tvrdu komponentu sekundarnog kosmičkog zračenja Zemlje, uglavnom čine mioni. Oni pretežno nastaju u gornjim slojevima atmosfere prilikom raspada naelektrisanih piona:
π+ → μ++ í ; π- → μ++ í

Naziv „tvrda“ potiče od toga što ova komponenta ima veliku prodornu moć. Olovo debljine i nekoliko desetina santimetara je ne može potpuno zaustaviti (apsorbovati).

Doze kosmičkog zračenja[uredi | uredi izvor]

Kosmičko zračenje je vrsta prirodnog jonizujućeg zračenje koje stiže do površine Zemlje iz kosmosa i sastoji se od tzv. galaktičkog kosmičkog zračenja i zračenja sa Sunca. U energetskom opsegu od 10 12 -10 15 eV, kosmički zraci koji dosežu do ivice Zemljine atmosfere se sastoje od: ~ 50% protona, ~ 25% alfa čestica, ~ 13% C/N /O jezgara, <1% elektrona, <0,1% gama zraka Svemir je prožet radioaktivnim zračenjem različite vrste i porekla. Prema pretpostavkama naučnika u najranijoj istoriji svemira nije bio materija kakvu danas poznajemo, nego se cela njegova masa sastojala zapravo od zračenja. Tek neznatan deo kosmičkog zračenja se probija kroz zemljinu atmosferu i njeno magnetsko polje i dospeva do površine Zemlje. Jedan deo skrene Zemljino magnetsko polje, a većina preostalog zračenja gubi energiju u sudarima prilikom prolaska kroz atmosferu. Tako nastaju i tzv. kosmički radionuklidi, ali i prava kaskada sekundarnog zračenja, od kojega znatan deo prodire u niže slojeve atmosfere pa i do same površine Zemlje.

Godišnja efektivna doza kosmičkog zračenja (mSv po godini) - UNSCEAR 2008.[7]
Izvor zračenja Efektivna srednja
godišnja doza		 Efektivna uobičajena
godišnja doza
Direktno jonizujuća i fotonska komponenta
0,28
Neutronska komponenta
0,10
Kosmogeni radionuklidi
0,01
Ukupno kosmičko i kosmogeno zračenje
0,39
0,3—1,0.[a]
Na osnovu procena UNSCEAR iz 2008. godine prosečna primljena doza po stanovniku iznosi 2,4 mSv godišnje. Najveće doze zračenja dobijaju stanovnici Zemlje udisanjem radona 222Rn i torona 220Rn (1,26 mSv po godini). Dok veći deo potiče od zračenja 40K i određenih potomaka uranijumovog i torijumovog niza (0,29 mSv po godini).[7]

Kosmički radionuklidi[uredi | uredi izvor]

Radionuklid jeste nuklid odnosno atom sa definisanim atomskim brojem, atomskom masom i energetskim stanjem, koji je radioaktivan. Kad govorimo o prirodnom zračenju razlikujem dve vrste radionuklida; radionuklide koji potiču iz kosmosa i radionuklide uvek prisutne na zemlji.

Napomene[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Zavisno od nadmorske visine (od nivoa mora do vrhova planina).

Izvori[uredi | uredi izvor]

  1. ^ (jezik: engleski) Introduction to Cosmic Rays, Discovery of Cosmic Rays [1] Arhivirano na sajtu Wayback Machine (20. januar 2010) Pristupljeno 5.4.2013
  2. ^ First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5–350 GeV M. Aguilar et al. (AMS Collaboration) Phys. Rev. Lett. 110, 141102 (2013)
  3. ^ AMS-01: M. Aguilar et al., “Cosmic-Ray Positron Fraction Measurement from 1 to 30 GeV with AMS-01,” Phys. Lett. B 646, 145 (2007); PAMELA: O. Adriani et al., “An Anomalous Positron Abundance in Cosmic Rays with Energies 1.5-100 GeV,” Nature 458, 607 (2009); Fermi-LAT: M. Ackermann et al., “Measurement of Separate Cosmic-Ray Electron and Positron Spectra with the Fermi Large Area Telescope,” Phys. Rev. Lett. 108, 011103 (2012).
  4. ^ M. Ackermann et al., “Fermi LAT Observations of Cosmic-Ray Electrons from 7 GeV to 1 TeV,” Phys. Rev. D 82, 092004 (2010); O. Adriani et al., “Cosmic-Ray Electron Flux Measured by the PAMELA Experiment between 1 and 625 GeV,” Phys. Rev. Lett. 106, 201101 (2011).
  5. ^ Britannica Concise Encyclopedia: cosmic background radiatioanswers.com
  6. ^ What are cosmic rays? NASA Official, Pristupljeno 9. 4. 2013.
  7. ^ a b „Volume I: (Sources) Report to the General Assembly, Scientific Annexes A and B, UNSCEAR 2008 REPORT Vol. I”. UNSCEAR 2008. Arhivirano iz originala 25. 10. 2019. g. Pristupljeno 13. 1. 2020. 

Vidi još[uredi | uredi izvor]

Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]

Kosmičko zračenje na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Космичко_зрачење&oldid=25915921”