宇宙射线的能量

埃里克·雷格纳

编者按

物理学家们一直在对宇宙射线在高层大气中产生的电离效应进行测定，所得的结果越来越精确。埃里克·雷格纳利用这些数据估算了宇宙射线在撞击地球时的能量通量。他预计每秒在每平方厘米的面积上宇宙射线将有108个离子对通过。因为只有能量大于32 eV的宇宙射线才能产生电离效应，由此可以估算出宇宙射线的总能流为5.2×10－3 erg·cm－2·s－1。雷格纳指出：一个处于热平衡状态中的物体在这么高能量射线流的照射下温度将升高3.1 K。这个值近似于阿瑟·爱丁顿从多数来自恒量的辐射对平衡态天体的影响中得到的结果。ft　　英文

我在1932年9月3日《自然》杂志的第364页上公布了宇宙辐射在高层大气中的强度曲线，这条曲线是根据一台自动记录静电计的测量结果推演出来的。利用外推法可以得到宇宙射线在进入大气层时的辐射强度I∞。现在原始数据已经可以用确定的实验因子进行修正，这个因子可以把电离室在5个大气压下测量的结果折合成1个大气压下的结果。目前得到的I∞值相当于在0℃，760 mm汞柱空气中每秒每立方厘米产生333个离子对。ft　　英文

对曲线进行图解积分，发现电离度是随高度变化的函数，这样就可以计算出在横截面积为1平方厘米的空气柱完全吸收宇宙射线后产生的离子对总数。我们发现这个值高达1.02×108对离子。早些时候，密立根和卡梅伦[1]也进行过类似的计算，但由于他们对高层大气中的射线强度缺乏充分的认识，因而给出的数值仅为1.28×107对离子。如果在空气中产生一个离子对所需的能量[2]为32 eV，那么宇宙射线带到地球上的能量通量S应该可以达到5.2×10–3 erg·cm–2·s–1。ft　　英文

从天体物理学的角度来看，宇宙射线的能量如此巨大是很不寻常的。一个吸收了全部宇宙射线的天体将因此而被加热。当天体所吸收的宇宙射线的总通量S等于其热辐射σT4时，该天体就会达到平衡，这时计算出的温度值T为3.1 K，这与爱丁顿[3]发现的只被恒星发出的光和热所加热的黑体所具有的温度值（3.18 K）相等。爱丁顿的计算仅关系到我们所处的局部恒星系统中的一个点，而不涉及其中某一个恒星的周边区域。如果在这样一个点上，宇宙辐射的能流与在地球上获得的能流相等，那么根据T4定律，一个完全吸收了这两种辐射后的黑体的温度只会升至3.7 K。但对于处于旋涡状星云内的空间某一点来说，通常的辐射是非常小的，所以温度上升的幅度也微乎其微。假设宇宙射线起源于这样的星系际空间，它们将引发与宇宙射线通量相对应的升温现象。ft　　英文

更详细的结果将在近期的《物理学杂志》上发表。ft　　英文

（史春晖　翻译；马宇蒨　审稿）