Понятие об ядерных реакциях

Земля постоянно подвергается действию космического излучения. Различают первичное и вто­ричное космическое излучение. В состав первичного космического излучения входит около 90% протонов высоких энергий, порядка 9% ядер гелия (альфа-частиц), и около 1% составляют более тяжелые ядра, нейтрино, фотоны и т. д. Энергетический спектр первичного космического излучения имеет огромный диапазон вариаций – от 1 до 10¹⁴ МэВ. Известны случаи регистрации частиц с энергиями 10¹⁹–10²⁰ МэВ. Макси­мальная интенсивность излучения приходится на область энер­гии около 300 МэВ. Частицы с энергиями, не превышающими 400 МэВ, генерируются на Солнце в период вспышек. Их поток носит название солнечного первичного космического излучения. Бо­лее высокоэнергетическая составляющая называется галактичес­ким первичным космическим излучением. Считают, что оно образу­ется в основном при вспышках сверхновых звезд. Частицы с энергиями больше 10¹² МэВ возникают скорее всего за предела­ми нашей Галактики. Возраст первичного космического излуче­ния, т.е. время, прошедшее от возникновения частиц до поступ­ления их в земную атмосферу, был рассчитан по находящимся в его составе радионуклидам – ¹⁰Ве и ³⁶С1 – и имел величину от 2,5·10⁶ до 33·10⁶ лет (Лаврухина, 1972). Интенсивность потока галактического излучения составляет 2–4 частицы/(см²·с). Ис­следования радионуклидов в метеоритах показали, что плотность потока галактического излучения с точностью до двух раз оста­валась постоянной в течение последнего миллиарда лет. Однако в пределах этого интервала имеются циклические вариации.

Солнечное космическое излучение с энергией E_c≤400МэВ (1–40 МэВ в период вспышек) имеет весьма большую интенсив­ность потока (10⁶–10⁸ частиц/(см²·с). Иногда при вспышках ис­пускаются частицы в несколько гигаэлектрон-вольт. Соотноше­ние галактической и солнечной компонент космического излуче­ния зависит от 11-летнего солнечного цикла. Плотность потока га­лактического излучения достигает минимума в период вспышек, когда солнечная компонента максимальна.

Плотность потока первичного космического излучения связа­на с геомагнитным полем. Поэтому она выше на полюсах, чем на экваторе.

Частицы и фотоны, возникающие при взаимодействии пер­вичного космического излучения с атомами атмосферных газов, носят название вторичного космического излучения. Частицы высоких энергий первичного космического излучения вызывают ядерные реакции расщепления с образованием нейтронов, протонов, пионов и каонов. Мно­гие из вторичных частиц об­ладают достаточной энер­гией, чтобы вызвать новые ядерные реакции и создать новые вторичные частицы. Такие реакции носят каскад­ный характер и называются ливнями. Пионы распадаются с образованием мюонов и фотонов, которые, в свою очередь, вызывают новые ливни. Исходные ядерные реакции с частицами высо­ких энергий называются реакциями активации. При этом образуется большое количество радионуклидов. Энергия вторичных космических частиц в зна­чительной степени расходуется на ионизацию. Средняя скорость образования в воздухе ионов равна 2,1 иона/(с • см³). Максимум ионизации достигается в период минимума 11-летнего солнечного цикла. Плотность распределения ионов связана с геомагнитным полем и зависит от широты, увеличиваясь от экватора к полюсам. Аналогичное распределение имеет и плотность нейтронного по­тока. В результате неоднородность интенсивности потока вто­ричных нейтронов и протонов в атмосфере приводит к вариаци­ям скорости образования космогенных радионуклидов в зависимости от геомагнитной широты и высоты.

Интегральный поток нейтронов увеличивается с высотой, а за­тем падает из-за уменьшения плотности атмосферы и убегания нейт­ронов из верхних ее слоев. Скорость образования нейтронов, усред­ненная по всему солнечному циклу, равна 4 нейтрона/(см² · с ^-1).

Протоны взаимодействуют с ядрами атомов элементов, входящих в состав атмосферы, вызывая многочисленные ядерные реакции, сопро­вождающиеся испусканием других элементарных частиц, в частности нейтронов. В результате у поверхности Земли на уровне моря около 80% общего количества частиц приходится на долю мюонов. Нейтроны также составляют значительную долю потока частиц у поверхности Земли.