陈修斌--社团活动.doc

1、高二社团活动之宇 宙 探 秘主讲人：陈修斌社团活动章程1.指导教师：高二物理教师-陈修斌2.活动形式：以多媒体课件为载体，教师讲解相关内容为主体，和学生一起学习探讨宇宙的神奇与奥秘。3.活动宗旨：本社团的宗旨是：旨在拓展课堂所学的知识，开拓学生的眼界，激发学生学习物理的兴趣，丰富学生的业余生活。4.活动计划：本学期结合所学内容及学生已有的知识储备，拟按照一下计划开展社团活动：（1）9 月10 月，结合所学 3-1 的静电场，开展如宇宙射线、天体运动等相关内容。（2）10 月11 月，结合所学 3-1 的恒定电流，开展如航天飞机悬挂导线发电问题、太空电学实验问题等相关内容。（3）11 月1 月，

2、结合所学 3-1 的磁场，开展如地磁场问题、月球磁场研究、极光现象的分析等相关内容。第一讲 宇 宙 射 线发 现1912 年 ， 德 国 科 学 家 韦 克 多 汉 斯 带 着 电 离 室 在 乘 气 球 升 空 测 定 空 气 电 离 度 的实 验 中 ， 发 现 电 离 室 内 的 电 流 随 海 拔 升 高 而 变 大 ， 从 而 认 定 电 流 是 来 自 地 球 以 外 的 一 种穿 透 性 极 强 的 射 线 所 产 生 的 ， 于 是 有 人 为 之 取 名 为 “宇 宙 射 线 ”。 宇 宙 射 线宇 宙 射 线 （ cosmic ray） 一 般 指 约 在 46 亿 年 前

3、 刚 从 太 阳 星 云 形 成 的 地 球 。 初 生的 地 球 ， 固 体 物 质 聚 集 成 内 核 ， 外 周 则 是 大 量 的 氢 、 氦 等 气 体 ， 称 为 第 一 代 大 气 。 宇 宙 射 线 产 生太 阳 系 是 在 圆 盘 状 的 银 河 系 中 运 行 的 ， 运 行 过 程 中 会 发 生 相 对 于 银 河 系 中 心 位置 的 位 移 ， 每 隔 6200 万 年 就 会 到 达 距 离 银 河 系 中 心 的 最 远 点 。 而 整 个 “银 河 盘 ”又是 在 包 裹 着 它 的 热 气 体 中 以 每 秒 200 公 里 的 速 度 运 行 。 “银 河

4、 盘 并 不 像 飞 盘 那 样 圆 滑 ，”科 学 家 称 ， “它 是 扁 平 的 。 ”当 银 河 系 的 “北 面 ”或 前 面 与 周 围 的 热 气 摩 擦 时 就 会产 生 宇 宙 射 线 。 宇 宙 射 线 的 起 源 和 传 播宇 宙 线 的 起 源 通 常 指 宇 宙 线 中 的 主 要 成 分 各 种 原 子 核 的 发 射 和 加 速 过 程 。 宇宙 线 在 空 间 中 的 运 动 和 分 布 ， 属 于 宇 宙 线 的 传 播 问 题 。 宇 宙 线 的 起 源 和 传 播 问 题 是 彼 此密 切 相 关 的 :加 速 和 传 播 阶 段 不 能 截 然 划 分

5、开 ;相 当 一 部 分 初 级 宇 宙 线 原 子 核 产 生 于 传播 过 程 中 。 宇 宙 线 的 起 源 和 传 播 是 高 能 天 体 物 理 学 中 一 个 重 要 的 问 题 。 宇 宙 线 是 各 种 天 体演 化 过 程 的 产 物 ， 特 别 是 各 种 高 能 天 体 物 理 过 程 的 产 物 ， 携 带 着 这 些 过 程 的 丰 富 信 息 。 但 是 ， 宇 宙 线 起 源 和 传 播 的 研 究 有 许 多 困 难 ： 首 先 由 于 宇 宙 线 带 电 粒 子 在 星 际空 间 传 播 过 程 中 受 到 磁 场 的 偏 转 ,人 们 无 法 直 接 探 知

6、 它 们 在 空 间 的 分 布 ,只 能 由 宇 宙线 在 运 动 和 作 用 过 程 中 发 射 出 的 射 电 波 、 X 射 线 和 射 线 间 接 地 推 断 它 们 的 存 在 。宇 宙 线 在 传 播 过 程 中 ， 还 同 星 际 物 质 作 用 ， 不 断 改 变 其 能 量 和 组 成 ， 观 测 到 的 初 级 宇宙 线 成 分 和 能 谱 ， 是 由 原 始 起 源 与 传 播 过 程 共 同 决 定 的 。 从 地 球 附 近 初 级 宇 宙 线 推 断 产生 源 处 原 始 宇 宙 线 的 情 况 ， 必 须 考 虑 宇 宙 线 在 传 播 过 程 中 同 星 际

7、物 质 的 作 用 以 及 地 球 和太 阳 系 磁 场 的 调 制 ,由 射 电 、 X 射 线 和 射 线 观 测 推 断 银 河 系 内 宇 宙 线 粒 子 分 布 ， 也必 须 了 解 星 际 介 质 的 分 布 情 况 ； 但 是 人 们 对 于 太 阳 系 磁 场 和 一 些 重 要 的 星 际 介 质 （ 如星 际 氢 分 子 ） 的 认 识 还 只 是 刚 刚 开 始 。 此 外 ， 随 着 初 级 宇 宙 线 观 测 的 进 展 ， 现 有 核 物 理和 高 能 物 理 知 识 （ 如 原 子 核 反 应 截 面 、 长 寿 命 放 射 性 核 素 的 衰 变 寿 命 和 分

8、 支 比 ） 的 不足 ， 已 越 来 越 成 为 限 制 人 们 了 解 原 始 宇 宙 线 的 重 要 原 因 。 宇 宙 线 高 能 粒 子 应 起 源 于 各 种 高 能 天 体 或 天 体 高 能 过 程 。 太 阳 和 其 他 恒 星 表 面的 高 能 活 动 、 超 新 星 爆 发 、 脉 冲 星 、 类 星 体 和 活 动 星 系 等 ， 都 可 能 是 宇 宙 线 源 。 目 前人 们 普 遍 认 为 大 多 数 宇 宙 线 粒 子 起 源 于 银 河 系 内 。 太 阳 耀 斑 爆 发 等 高 能 过 程 伴 随 着 粒子 的 发 射 ， 但 这 种 太 阳 活 动 只 能

9、 产 生 太 阳 系 空 间 宇 宙 线 粒 子 的 一 个 小 部 分 ， 而 且 太 阳粒 子 平 均 能 量 仅 数 十 兆 电 子 伏 ， 大 部 分 宇 宙 线 应 来 自 太 阳 系 之 外 。 银 河 系 普 通 恒 星 的粒 子 发 射 只 能 产 生 银 河 系 内 宇 宙 线 粒 子 的 一 个 微 不 足 道 的 部 分 ， 大 部 分 宇 宙 线 应 产 生 于比 普 通 恒 星 活 动 更 剧 烈 的 过 程 。 超 新 星 爆 发 是 银 河 系 内 最 猛 烈 的 高 能 现 象 。 银 河 系 超 新 星 爆 发 的 平 均 能 量 输 出 可 以满 足 维 持

10、 银 河 宇 宙 线 能 量 密 度 的 需 要 。 蟹 状 星 云 等 超 新 星 遗 迹 强 烈 发 射 高 度 偏 振 的 非热 射 电 辐 射 ， 它 们 应 当 是 高 能 电 子 在 磁 场 中 的 同 步 辐 射 。 超 新 星 遗 迹 中 存 在 着 大 量 的 高能 电 子 ， 应 当 是 宇 宙 线 高 能 电 子 的 发 源 地 。 人 们 普 遍 设 想 超 新 星 爆 发 及 其 遗 迹 也 应 当 发射 高 能 原 子 核 ， 成 为 宇 宙 射 线 的 主 要 来 源 。 宇 宙 线 中 氢 和 氦 核 的 相 对 丰 度 较 太 阳 系 或 银河 系 平 均 丰

11、 度 小 ， 表 明 宇 宙 线 原 子 核 可 能 来 自 恒 星 演 化 过 程 的 晚 期 。 宇 宙 线 中 重 元 素（ 例 如 Z 60） 较 多 ,它 们 可 能 是 超 新 星 爆 发 条 件 下 快 速 中 子 俘 获 过 程 （ 过 程 ） 的产 物 。 宇 宙 线 中 一 些 元 素 的 丰 中 子 同 位 素 较 多 ， 也 表 明 宇 宙 线 可 能 起 源 于 超 新 星 爆 发形 成 的 丰 中 子 环 境 中 。 但 是 ， 迄 今 并 无 直 接 的 证 据 说 明 超 新 星 及 其 遗 迹 发 射 高 能 原 子 核 。超 新 星 爆 发 所 释 放 的

12、能 量 如 何 转 化 为 粒 子 的 动 能 ， 以 及 从 很 多 超 新 星 这 样 的 分 立 源 如 何能 形 成 宇 宙 线 粒 子 的 幂 律 能 谱 ， 都 是 超 新 星 起 源 模 型 所 面 临 的 困 难 。 对 于 初 级 宇 宙 线 元素 丰 度 的 新 近 测 量 结 果 的 分 析 表 明 ， 原 始 宇 宙 线 重 元 素 的 相 对 丰 度 分 布 接 近 于 太 阳 系 的分 布 ， 与 过 程 预 期 的 分 布 差 别 甚 大 ， 也 同 超 新 星 起 源 模 型 不 一 致 。 E.费 密 曾 于 1949 年 提 出 宇 宙 线 在 星 际 介

13、质 中 统 计 加 速 的 机 制 ： 带 电 粒 子 在 同 随 机运 动 的 磁 场 不 断 地 碰 撞 中 得 到 加 速 。 费 密 加 速 机 制 可 以 解 释 宇 宙 线 的 幂 律 能 谱 。 但 是 ,费密 机 制 要 求 粒 子 另 有 初 始 加 速 过 程 ,要 求 有 足 够 的 能 量 供 给 星 际 介 质 中 磁 场 的 运 动 ； 同时 费 密 机 制 不 利 于 加 速 重 原 子 核 ,难 以 解 释 观 测 到 的 宇 宙 线 丰 度 分 布 。 近 来 的 X 射 线观 测 发 现 ， 超 新 星 遗 迹 中 至 少 在 104 年 内 存 在 着 强

14、 烈 的 激 波 。 理 论 分 析 表 明 ， 星 际 介质 中 的 激 波 可 以 有 效 地 加 速 宇 宙 线 粒 子 ， 而 且 可 以 产 生 幂 律 能 谱 。 由 超 新 星 爆 发 等 高 能活 动 引 起 的 较 强 烈 的 激 波 在 星 际 空 间 高 温 稀 薄 气 体 中 可 能 传 播 足 够 长 的 路 程 ， 使 激 波 加速 机 制 可 能 有 效 地 加 速 宇 宙 线 粒 子 。 但 是 ， 近 来 发 现 原 始 宇 宙 线 元 素 丰 度 分 布 与 原 子 第一 电 离 能 密 切 相 关 ： 第 一 电 离 能 愈 低 的 元 素 ， 原 始 宇

15、 宙 线 丰 度 与 太 阳 丰 度 之 比 愈 大 。 所以 ， 宇 宙 线 起 源 和 加 速 区 域 的 温 度 不 能 太 高 ( 104 开 )， 使 超 新 星 爆 发 和 高 温 气 体 中的 加 速 机 制 遇 到 了 困 难 。 X 射 线 天 文 观 测 发 现 ， 银 河 系 中 为 数 众 多 的 晚 期 恒 星 (K 型和 M 型 矮 星 )虽 然 光 辐 射 微 弱 ， 但 X 射 线 发 射 和 耀 斑 活 动 (从 而 粒 子 发 射 )的 高 能 过 程却 仍 然 很 活 跃 ,因 而 可 能 是 宇 宙 线 的 重 要 发 源 地 。 但 它 们 发 射 出

16、 的 粒 子 如 何 进 一 步 得 到加 速 ， 也 是 一 个 没 有 解 决 的 问 题 。 银 河 系 内 产 生 的 高 能 宇 宙 线 粒 子 ， 如 果 自 由 地 在空 间 中 传 播 ， 则 应 在 103 104 年 时 间 内 飞 出 银 河 系 。 由 初 级 宇 宙 线 元 素 相 对 丰 度 推 得宇 宙 线 粒 子 平 均 穿 过 的 物 质 厚 度 约 为 5 克 厘 米 2， 而 银 盘 中 星 际 气 体 的 平 均 密 度 约为 1 氢 原 子 厘 米 3， 则 宇 宙 线 在 银 盘 中 的 平 均 滞 留 时 间 约 3106 年 ， 比 自 由 粒

17、子穿 越 银 盘 的 时 间 长 得 多 。 所 以 星 际 空 间 中 宇 宙 线 粒 子 不 是 自 由 地 传 播 而 是 在 非 均 匀 分 布的 星 际 介 质 中 扩 散 ， 并 且 可 能 在 银 河 系 边 界 处 受 到 反 射 。 从 初 级 宇 宙 线 中 一 些 长 寿 命 同位 素 （ 如 10Be） 相 对 丰 度 推 得 的 宇 宙 线 平 均 寿 命 (塼 107 年 )比 在 银 盘 中 的 滞 留 时 间长 ， 所 以 银 河 宇 宙 线 粒 子 在 其 寿 命 内 的 大 部 分 时 间 中 可 能 是 在 围 绕 银 盘 的 某 个 物 质 稀 薄的 区

18、 域 宇 宙 线 晕 中 传 播 的 。 目 前 人 们 关 于 银 河 系 的 知 识 和 对 宇 宙 线 的 观 测 ， 还 不足 以 构 成 和 判 断 细 致 的 宇 宙 线 传 播 模 型 。 在 处 理 与 宇 宙 线 传 播 效 应 有 关 的 问 题 （ 例 如 从初 级 宇 宙 线 组 成 和 能 谱 推 断 原 始 宇 宙 线 的 组 成 和 能 谱 ） 时 ， 常 采 用 一 些 简 化 的 稳 态 传 播模 型 ， 例 如 漏 箱 模 型 。 漏 箱 模 型 假 定 银 河 系 内 宇 宙 线 粒 子 密 度 不 随 时 间 和 地 点 变 化 ， 宇宙 线 粒 子 在

19、 银 河 系 内 扩 散 ， 通 过 边 界 以 一 定 的 概 率 缓 慢 地 向 银 河 系 外 泄 漏 。 虽 然 自60 年 代 以 来 ,随 着 初 级 宇 宙 线 以 及 射 电 、 X 射 线 和 射 线 天 文 观 测 的 进 展 ， 人 们 对 于宇 宙 线 起 源 和 传 播 的 认 识 在 不 断 深 入 ,但 由 于 问 题 的 复 杂 性 ,迄 今 尚 未 能 得 到 较 为 满 意的 模 型 。 人 们 对 于 极 高 能 量 宇 宙 线 的 了 解 就 更 少 了 ； 即 使 对 于 这 部 分 宇 宙 线 的 成 分 ， 都还 缺 乏 任 何 明 确 的 认 识

20、 。 银 河 系 磁 场 不 能 贮 存 能 量 高 于 1018 电 子 伏 的 粒 子 ， 银 河 系内 起 源 的 极 高 能 粒 子 应 当 呈 现 高 度 的 各 向 异 性 ;但 能 量 高 于 1018 电 子 伏 宇 宙 线 粒 子 方向 的 各 向 异 性 度 揥 10 ,而 且 较 多 的 粒 子 并 非 来 自 银 河 系 中 心 ,所 以 极 高 能 宇 宙 线 粒子 可 能 起 源 于 银 河 系 外 。 由 于 河 外 星 系 的 空 间 密 度 很 低 ， 河 外 区 域 必 须 存 在 比 银 河 系强 大 得 多 的 宇 宙 线 粒 子 源 ， 才 能 解 释

21、 观 测 到 的 极 高 能 宇 宙 线 粒 子 流 。 观 测 方 式我 们 知 道 ， 宇 宙 线 主 要 是 由 质 子 、 氦 核 、 铁 核 等 裸 原 子 核 组 成 的 高 能 粒 子 流 ； 也含 有 中 性 的 珈 玛 射 线 和 能 穿 过 地 球 的 中 微 子 流 。 它 们 在 星 系 际 银 河 和 太 阳 磁 场 中 得到 加 速 和 调 制 ， 其 中 一 些 最 终 穿 过 大 气 层 到 达 地 球 。 人 类 对 宇 宙 射 线 作 微 观 世 界 的 研 究过 程 中 采 用 的 观 测 方 式 主 要 有 三 种 ， 即 ： 空 间 观 测 、 地 面

22、 观 测 、 地 下 （ 或 水 下 ） 观 测 。 大 气 层 阻 挡虽 然 当 宇 宙 射 线 到 达 地 球 的 时 候 ， 会 有 大 气 层 来 阻 挡 住 部 分 的 辐 射 ， 但 射 线 流 的 强度 依 然 很 大 ， 很 可 能 对 空 中 交 通 产 生 一 定 程 度 的 影 响 。 比 方 说 ， 现 代 飞 机 上 所 使 用 的 控制 系 统 和 导 航 系 统 均 有 相 当 敏 感 的 微 电 路 组 成 。 一 旦 在 高 空 遭 到 带 电 粒 子 的 攻 击 ， 就有 可 能 失 效 ， 给 飞 机 的 飞 行 带 来 相 当 大 的 麻 烦 和 威 胁

23、 。 研 究 开 始1903 年 ， 卢 瑟 福 （ Ernest Rutherford， 1871-1937） （ 左 图 ） 和 库 克（ H.L.Cooke） 研 究 过 这 个 问 题 。 他 们 发 现 ， 如 果 小 心 地 把 所 有 放 射 源 移 走 ， 在 验 电 器中 每 立 方 厘 米 内 ， 每 秒 钟 还 会 有 大 约 十 对 离 子 不 断 产 生 。 他 们 用 铁 和 铅 把 验 电 器 完 全 屏蔽 起 来 ， 离 子 的 产 生 几 乎 可 减 少 十 分 之 三 。 他 们 在 论 文 中 提 出 设 想 ， 也 许 有 某 种 贯 穿 力极 强 ，

24、类 似 于 射 线 的 辐 射 从 外 面 射 进 验 电 器 ， 从 而 激 发 出 二 次 放 射 性 。 1909 年 ， 莱 特 （ Wright） 为 了 搞 清 这 个 现 象 的 缘 由 ， 在 加 拿 大 安 大 略（ Ontario） 湖 的 冰 面 上 重 复 上 述 实 验 ， 发 现 游 离 数 略 有 减 小 。 1910 年 ， 法 国 的 沃 尔 夫 （ Father Theodor Wulf） 在 巴 黎 300 米 高 的 埃 菲 尔 塔 顶上 进 行 实 验 ， 比 较 塔 顶 和 地 面 两 种 情 况 下 残 余 电 离 的 强 度 ， 得 到 的 结

25、果 是 塔 顶 约 为 地 面的 64 ， 比 他 预 计 的 10 要 高 。 他 认 为 可 能 在 大 气 上 层 有 源 ， 也 可 能 是 射线 的 吸 收 比 预 期 的 小 。 1910-1911 年 ， 格 克 耳 （ Alfred Gockel） 在 瑞 士 的 苏 黎 世 让 气 球 把 电 离 室 带 到4500 米 高 处 ， 记 录 下 几 个 不 同 高 度 的 放 电 速 率 。 他 的 结 论 是 ： “辐 射 随 高 度 的 增 加而 降 低 的 现 象 比 以 前 观 测 到 的 还 要 显 著 。 ” 这 种 源 的 放 射 性 与 当 时 人 们 比 较

26、 熟 悉 的 放 射 性 相 比 具 有 更 大 的 穿 透 本 领 ， 因 此 人 们提 出 这 种 放 射 性 可 能 来 自 地 球 之 外 这 就 是 宇 宙 射 线 最 初 的 迹 象 。 奥 地 利 物 理 学 家 赫 斯 (Victor Franz Hess,1883-1964)是 一 位 气 球 飞 行 的 业 余 爱好 者 。 他 设 计 了 一 套 装 置 ， 将 密 闭 的 电 离 室 吊 在 气 球 下 ， 电 离 室 的 壁 厚 足 以 抗 一 个 大 气压 的 压 差 。 他 乘 坐 气 球 ， 将 高 压 电 离 室 带 到 高 空 ， 静 电 计 的 指 示 经

27、 过 温 度 补 偿 直 接进 行 记 录 。 他 一 共 制 作 了 十 只 侦 察 气 球 ， 每 只 都 装 载 有 2 3 台 能 同 时 工 作 的 电 离 室 。1911 年 ， 第 一 只 气 球 升 至 1070 米 高 ， 在 那 一 高 度 以 下 ， 辐 射 与 海 平 面 差 不 多 。翌 年 ， 他 乘 坐 的 气 球 升 空 达 5350 米 。 他 发 现 离 开 地 面 700 米 时 ， 电 离 度 有 些 下 降（ 地 面 放 射 性 造 成 的 背 景 减 少 所 致 ） ， 800 米 以 上 似 乎 略 有 增 加 ， 而 后 随 着 气 球 的 上升

28、 ， 电 离 持 续 增 加 。 在 1400 米 2500 米 之 间 显 然 超 过 海 平 面 的 值 。 在 海 拔 5000 米的 高 空 ， 辐 射 强 度 竟 为 地 面 的 9 倍 。 由 于 白 天 和 夜 间 测 量 结 果 相 同 ， 因 此 赫 斯 断 定 这种 射 线 不 是 来 源 于 太 阳 的 照 射 ， 而 是 宇 宙 空 间 。 赫 斯 认 为 应 该 提 出 一 种 新 的 假 说 ： “这 种 迄 今 为 止 尚 不 为 人 知 的 东 西 主 要 在 高 空发 现 它 可 能 是 来 自 太 空 的 穿 透 辐 射 。 ”1912 年 赫 斯 在 物

29、理 学 杂 志 发 表 题 为“在 7 个 自 由 气 球 飞 行 中 的 贯 穿 辐 射 ”的 论 文 。 赫 斯 的 发 现 引 起 了 人 们 的 极 大 兴 趣 ， 从 那 时 开 始 ， 科 学 界 对 宇 宙 射 线 的 各 种 效 应 和起 源 问 题 进 行 了 广 泛 的 研 究 。 最 初 ， 这 种 辐 射 被 称 为 “赫 斯 辐 射 ”， 后 来 被 正 式 命 名为 “宇 宙 射 线 ”。 当 时 ， 许 多 物 理 学 家 怀 疑 赫 斯 的 测 量 ， 并 认 为 这 种 大 气 电 离 作 用不 是 来 自 太 空 ， 而 是 起 因 于 地 球 物 理 现

30、象 ， 例 如 组 成 地 壳 的 某 种 物 质 发 出 的 放 射 性 。现 在 认 为 ， 宇 宙 线 是 来 自 宇 宙 空 间 的 高 能 粒 子 流 的 总 称 。 1914 年 ， 德 国 物 理 学 家 柯 尔 霍 斯 特 （ Werner Kolhorster， 1887-1946） 将 气 球升 至 9300 米 ， 游 离 电 流 竟 比 海 平 面 大 50 倍 ， 确 证 了 赫 斯 的 判 断 。 1922 年 ， 美 国 科 学 家 密 立 根 （ Robert Andrews Millikan， 1868-1953） （ 左 图 ）和 玻 恩 （ I.S.Bow

31、en） 将 这 些 实 验 拿 到 55000 英 尺 的 高 空 去 做 ， 为 了 解 决 这 种 辐 射 的来 源 ， 他 们 先 是 在 高 山 顶 上 测 量 ， 后 来 又 把 装 有 验 电 器 和 电 离 器 的 不 载 人 的 气 球 升 到 高空 来 测 量 大 气 的 电 离 作 用 。 1925 年 夏 ， 密 立 根 和 助 手 们 在 加 利 福 尼 亚 州 群 山 中 的 Muir 湖 （ 缪 尔 湖 ） 和Arrowhead 湖 （ 慈 菇 湖 ） 的 深 处 做 实 验 ， 试 图 通 过 测 量 电 离 度 与 湖 深 的 变 化 关 系 来 确 定宇 宙

32、射 线 的 来 源 ， 之 所 以 选 择 这 两 个 湖 ， 是 因 为 它 们 都 是 由 雪 水 作 为 水 源 ， 可 以 避 免 放射 性 污 染 ； 而 且 ， 这 两 个 湖 相 距 较 远 ， 高 度 相 差 6.675 英 尺 ， 这 样 可 以 避 免 相 互 干 扰和 便 于 比 较 。 1925 年 11 月 9 日 ， 国 家 科 学 院 在 威 斯 康 星 州 的 Madison 召 开 会 议 ， 密 立 根 报 告了 测 量 的 结 果 ， 他 的 结 果 表 明 ， 这 些 射 线 不 是 起 源 于 地 球 或 低 层 大 气 ， 而 是 从 宇 宙 射 来

33、的 ， 密 立 根 同 意 当 时 大 多 数 人 的 观 点 ， 认 为 宇 宙 射 线 是 一 种 高 频 电 磁 辐 射 ， 其 频 率远 高 于 X 射 线 ， 是 后 者 平 均 频 率 的 1000 倍 。 他 认 为 ， 这 种 射 线 的 穿 透 力 既 然 比 最 硬的 射 线 还 强 许 多 ， 当 然 不 会 由 带 电 粒 子 组 成 。 如 果 假 定 宇 宙 射 线 真 是 像 阴 极 射 线那 样 的 带 电 粒 子 流 ， 那 它 能 穿 透 相 当 于 6 英 尺 厚 度 铅 块 的 穿 透 力 ， 将 使 这 些 粒 子 具 有当 时 难 以 想 像 的 高

34、 能 量 。 如 果 假 定 宇 宙 射 线 由 光 子 （ 即 电 磁 辐 射 的 量 子 ） 组 成 ， 那 么宇 宙 射 线 辐 射 到 地 球 时 ， 其 飞 行 路 线 将 不 受 地 磁 的 影 响 ； 相 反 ， 如 果 宇 宙 射 线 是 由 带电 粒 子 组 成 ， 则 它 将 肯 定 受 到 地 磁 场 的 影 响 ， 飞 到 高 纬 度 地 区 的 宇 宙 射 线 带 电 粒 子 将多 于 低 纬 度 的 地 区 ， 即 有 “纬 度 效 应 ”(latitude effect)， 而 密 立 根 的 测 量 结 果 表明 ， 宇 宙 射 线 来 自 四 面 八 方 ，

35、不 受 太 阳 和 银 河 系 的 影 响 ， 也 不 受 大 气 层 或 地 磁 纬 度 的 影响 。 1927 年 ， 斯 科 别 利 兹 （ Dimitr Skobelzyn） 利 用 云 雾 室 摄 得 宇 宙 射 线 痕 迹 的 照 片 ，根 据 径 迹 在 云 雾 室 里 的 微 小 偏 转 ， 第 一 次 确 认 了 宇 宙 线 粒 子 径 迹 。 1927-1929 年 ， 荷 兰 物 理 学 家 克 莱 (J.Clay,1882-1955)在 从 荷 兰 到 印 度 尼 西 亚 爪哇 岛 的 旅 行 中 ， 发 现 了 纬 度 效 应 的 踪 迹 靠 近 赤 道 处 宇 宙

36、射 线 强 度 比 较 低 。 宇 宙 线 探 测 方 式直 接 探 测 法 1014eV 以 下 的 宇 宙 射 线 ， 通 量 足 够 大 ， 可 用 面 积 约 在 平 方 公 尺 左右 的 粒 子 探 测 器 ， 直 接 探 测 原 始 宇 宙 射 线 。 这 类 探 测 器 需 要 人 造 卫 星 或 高 空 气 球 运 载 ，以 避 免 大 气 层 吸 收 宇 宙 射 线 。 间 接 探 测 法 1014eV 以 上 的 宇 宙 射 线 ， 由 于 通 量 小 ， 必 须 使 用 间 接 测 量 ， 分 析原 始 宇 宙 射 线 与 大 气 的 作 用 来 反 推 原 始 宇 宙

37、射 线 的 性 质 。 当 宇 宙 射 线 撞 击 大 气 的 原子 核 后 产 生 一 些 重 子 、 轻 子 及 光 子 ( 射 线 )。 这 些 次 级 粒 子 再 重 复 作 用 产 生 更 多 次级 粒 子 ， 直 到 平 均 能 量 等 于 某 些 临 界 值 ， 次 级 粒 子 的 数 目 达 到 最 大 值 ， 称 为 簇 射 极 大 ，在 此 之 后 粒 子 逐 渐 衰 变 或 被 大 气 吸 收 ， 使 次 级 粒 子 的 数 目 逐 渐 下 降 ， 这 种 反 应 称 为“空 气 簇 射 ”。 地 球 地 表 的 主 要 辐 射 源 是 放 射 性 矿 物 ， 空 气 簇

38、 射 的 次 级 粒 子 是 高 空 的主 要 辐 射 源 ， 海 拔 20 公 里 处 辐 射 最 强 ， 100 公 里 以 上 的 太 空 辐 射 则 以 太 阳 风 及 宇 宙射 线 为 主 。 第二讲太空中的生命实验2001 年，欧洲航天局宣布，一个由瑞士、意大利和德国科学家组成的研究小组准备在国际空间站上进行人造软骨研制实验。如果实验成功，这将为全世界成千上万的膝盖骨损伤患者的康复提供新的治疗手段，并将成为人类在太空生物实验领域迈出的重要一步。 软骨试验有望在太空实现 由于重力的作用，在地面进行人体组织培养时，培养物往往沉在容器的底部，因此很难获得与人体自然组织密度相同的组织。科学

39、家早在几年前便设想在空间站的微重力环境下获取理想密度的培养组织。 欧洲航天局表示，在空间站上研制人造软骨的一期实验预计于明年进行，目的是确定在空间决定细胞组织发育的关键因素，了解细胞组织的发育机理。欧洲科学家们此后还将进行多次实验，并在地面上验证在微重力环境下获得的结果，实现人工合成临床治疗所需软骨组织密度相同的组织。科学家早在几年前便设想在空间站的微重力环境下获取理想密度的培养组织。 欧洲航天局表示，在空间站上研制人造软骨的一期实验预计于明年进行，目的是确定在空间决定细胞组织发育的关键因素，了解细胞组织的发育机理。欧洲科学家们此后还将进行多次实验，并在地面上验证在微重力环境下获得的结果，实现

40、人工合成临床治疗所需软骨组织的设想。 在空间站“骑车” 自人类步入太空以来，研究生命机体在宇宙空间的生理反应一直是科学家开发与探索太空的重要课题，其中最基础的一项研究便是了解“失重”对人体的影响。尽管在进入太空前已接受过多种抗失重的训练，但在太空，宇航员一般仍需要几周甚至几个月来适应空间站的生活。科学家们发现，宇航员在初入太空时，大脑里还保存着对重力的“惯性记忆”，每个动作中都“加入了抵抗地球引力作用的能量”，因此总是“用力过猛”。为使宇航员保持上下左右的方位感，空间站的内部构造和装饰都经过了特殊设计，可宇航员仍常常将屋顶和地板混为一谈。1998 年进入“和平号”空间站的法国宇航员埃雅尔称，“

41、我以前一直习惯俯身睡觉，但到太空后，无论怎么变换姿势，总觉得是仰着睡的。” 为维持人体各器官组织在太空中的正常“运转”，宇航员们必须每天在空间站里进行两小时体育锻炼，如骑自行车或蹬“移动地毯”。由于没有地球引力的束缚，宇航员在太空的运动也不像在地球上那样自如。他们需要用绳子将自己固定在空间站的设备上，再穿上特制的裤子，使体内的血液从头往脚循环，以求取得同在地球上锻炼一样的生理效果。这些运动可以基本维持心脏、动脉等器官的正常“运转”，但却不能防止骨头的萎缩。据统计，宇航员在一次太空旅行中将损失 1%至 10%的骨架，这部分骨头在地球上再生的周期通常比在太空中的时间长许多。 “太空综合征”催人老

42、1997 年 6 月，“和平号”空间站同太空物体相撞后，俄太空专家认为，事故原因是当时驾驶空间站的宇航员患上了“运动失调综合征”，即宇航员对距离和物体运动速度的估测发生偏差。欧洲航天局的资料显示，这种“太空综合征”在宇航员身上有不同程度的反应，最明显的是宇航员难以抓住一个起伏跳动的皮球，但最可怕的是它将加速人体器官组织的老化过程。 为研究失重是如何使人衰老的，科学家将一些特制的仪器带上了太空。比如，为了解骨质疏松的过程，科学家专门研制了一种带 X 射线的便携式密度探测器，以便于在太空测量人体骨头密度的变化。在医学领域被广泛使用的超声波技术如今也被用于测量人体在失重环境下的血液循环。科学家发现，

43、人体在太空的血压可通过自身机体来调节，无需借助任何辅助设备。这一结论的得出有助于预防和减轻宇航员返回地球后对气压和重力的不适，以及可能由此出现的晕厥等症状。 “微重力”环境：一个全新的实验室 为研究生命机体如何适应宇宙环境，科学们将一些小动物带上了太空实验室。法国国家太空研究中心 1997 年称，蝾螈的幼虫可以在外层空间孵化，并在失重的环境下通过“游泳”的姿势运动。次年，法国宇航员在太空中进行了一项名为“费尔特”的实验，通过向雌性蝾螈注射荷尔蒙使其产卵，将卵子发育过程用特制的摄像机拍下来，带回地球研究。1999 年 4 月，法、俄宇航员在“帕尔苏使命”实验中将 8 只两栖类动物带上国际空间站，

44、观察其神经系统的再生和发育、内耳的生长和精子的产生过程等，研究它们在失重环境下的生理反应。该实验的总结报告称，两栖类动物是最适合在太空失重环境中生存的动物。 实际上，由于地球引力的作用，一些生物实验很难在地球上获得理想的效果，而太空的“微重力”环境为人们提供了一个全新的实验场所，使很多在常规思维中不可能实现的研究成为可能。在“和平号” 空间站为期 15 年的太空之旅中，科学家进行了 2.3 万次实验，在细胞组织、血压和心血管系统的变化、骨头和肌肉的萎缩、神经系统的紊乱等项目的研究上取得了一些突破，并为在微重力环境下进行同类实验提供了不少珍贵的参考数据和资料。第三讲地磁场及其应用1、探测地磁场通

45、常，我们认为地磁场很弱，除了指南针指向南北的事实外，人们几乎感觉不到地磁场的存在.事实上，我们完全可以 利用课本上学到的知识初步探测地磁场的强弱.动手做将长约 15 m 的铜芯双绞线两端接在灵敏电流计上，拉开形成一个长回路.面对面站立的两位同学像甩跳绳那样以每秒 4 到 5 圈的频率摇荡半个回路(图 1783).随着导线切割地磁场，回路中就有感生电流产生，电流计指针指示的电流最大值可达 03 uA 细心的同学会注意到随着导线的来回摇荡，电流计的指针也在来回摆动.显然，这是由于上下摇荡半个回路时，导线切割地磁感应线的方向不同，从而导致回路中感生电流的方向不断变化.为进一步准确读出感生电流的数值，

46、可将灵敏电流计换为微电流放大器.如果用小磁针或磁罗盘事先确定好地磁方位角，转轴(即两同学连线)沿南北方向摇荡半个回路时产生的电流与转轴沿东西方向时导线做同样运动产生的电流有明显差异.通过比较可发现，转轴沿东西方向上下甩动半个回路时产生的感应电流更大一些.这表明地磁感应线是沿南北方向的，且地磁感应强度的水平分量更大一些.算一算量出面对面站立的两同学间的距离 L，L 可认为是导线切割地磁感应线的有效长度；测出两同学手臂到地面的高度 h；记录下上下摇荡半个回路的频率 f；量出铜芯双绞线的总电阻 R；记录下电流计指示的最大电流 I，即可估算出地磁感应强度 B 来.导线切割地磁感应线的有效速度为 vh2

47、hf回路中的感应电动势澹紹 LvBLv=BLhf回路中的感应电流 I/RBL2hfR所以地磁场的平均强度为 BIR2hfL一般情况下，地理位置不同时，地磁感应强度略有差异，总的地磁感应强度约为5105 T，远小于常见的永久磁铁两极附近 04 T 到 0 7 T 的磁感应强度.用上述方法估测出地磁感应强度后，还可进一步用小磁针测出地磁场的方向.细心的同学会发现支在重心下方的小磁针与水平方向有一个小的夹角，磁针的指北端向下倾斜，指南端向上翘起.磁针与水平方向的夹角叫磁倾角.地理位置不同时，磁倾角也不同，它可在090的范围变化 .想一想我国南沙群岛附近的磁倾角接近多少度？地球两极处磁倾角约为多少度?

48、在北半球，小磁针的指北端会下倾斜还是向上翘起？南半球的情况又如何?2、地磁场的应用地磁发电前面的实验可作为地磁发电的例子.另据报道，1992 年 7 月，美国“阿特兰蒂斯号”航天飞机进行了一次卫星悬绳发电实验.航天飞机在地球赤道上空离地面约 3 000 km 处自东向西飞行，相对地面的速度大约 65110 ms.从航天飞机上向地心方向发射一颗卫星，携带一根长 20 km，电阻为 800 的金属悬绳，使这根悬绳与地磁场垂直，做切割磁感线运动.假定这一范围内的地磁场是均匀的，磁感应强度约为 4103T，且认为悬绳上各点的切割速度和航天飞机的速度相同.根据理论设计，通过电离层(由等离子体组成)的作用

49、，悬绳上可产生大约 3 A 的感应电流.悬绳产生的电动势可达到 Lv410 2010 6510 35 200 V悬绳两端的电压为 UIr5 200-38002 800 V航天飞机绕地球一周悬绳输出的电能为 WUItUI2(R 地 h)v2 80032314(6 4003 000)10 (6510 )76 108 J实验取得了部分成功.地磁探矿据测算，地磁场的变化有一定的规律性.比如在我国境内，每向北走一公里，地磁感应强度的变化约为一亿分之几特.小范围内地磁感应强度和磁倾角几乎没有什么变化.但是，有时地磁场的变化非常明显，有的地方会出现磁针反常现象，磁针不再指向南北方向.在某些山区，磁针甚至变成直立状态.这种电磁场的剧变称作地磁异常.显然，出现地磁异常的区域，地下一定蕴藏着丰富的磁铁矿.我们可以根据地磁异常现象来探测磁铁矿区.1954 年，我国一支地质探矿队发现，在山东某个地区面积大约四平方公里的范围内，地磁感应强度异常极大值达到了 3510 -6 T.地质队员们推测，这里一定是一个储量较大的铁矿.经过钻探