Το βραβείο Νόμπελ του 1936 στη φυσική δίνεται για την κοσμική ακτινοβολία και το ποζιτρόνιο

Άρθρο, Μάρτιος 2006

Ο Αυστριακός φυσικός Victor Hess (1883-1964) βραβεύτηκε με το μισό Νόμπελ φυσικής του 1936, για την ανακάλυψη της κοσμικής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα, που προέρχεται από τα βάθη του διαστήματος. Απέδειξε ότι η η κοσμική ακτινοβολία είναι μια ραδιενεργός ακτινοβολία που προκαλεί ιονισμό του αέρα. Στα πειράματα που έκανε την διετία 1911-1912, ο Hess, με αερόστατα γεμάτα πειραματικά όργανα και σε ύψος 5.000 μέτρα,  ανακάλυψε πως η ένταση της άγνωστης ακτινοβολίας αυξάνεται σημαντικά με το ύψος και διατηρούσε την ίδια περίπου ένταση ημέρα και νύχτα. Αφού απέκλεισε το ενδεχόμενο να προέρχεται η κοσμική ακτινοβολία από τον ήλιο, τα πειράματα τον οδήγησαν αφ' ενός στον εντοπισμό των σωματιδίων που την συνθέτουν και αφ' ετέρου στον τρόπο που η ύλη καταστρέφεται και δημιουργείται.

Ο δεύτερος που βραβεύτηκε το 1936 με Νόμπελ ήταν ο αμερικανός φυσικός Anderson, για την ανακάλυψη του ποζιτρονίου αλλά και την αποσαφήνιση των ιδιοτήτων της κοσμικής ακτινοβολίας. Η πειραματική ανακάλυψη του ποζιτρονίου από τον Anderson συσχετίζεται με την κοσμική ακτινοβολία για αυτό και έγινε η βράβευση του Anderson μαζί με τον Hess. Μέχρι το 1930 πίστευαν ότι αυτή η ακτινοβολία αποτελείται από φωτόνια υψηλής ενέργειας. Με τη βοήθεια του θαλάμου Wilson αποκαλύφθηκε το 1932 η παρουσία ενός σωματιδίου με τη μάζα του ηλεκτρονίου αλλά με θετικό φορτίο. Έτσι επιβεβαιώθηκε πειραματικά η θεωρητική ανακάλυψη από τον Dirac του ποζιτρονίου.

Η κοσμική ακτινοβολία

Όπως γνωρίζουμε με ένα ηλεκτροσκόπιο μπορούμε να ανιχνεύσουμε και να μετρήσουμε ηλεκτρικά φορτία. Τα φύλλα, που περιέχουν ομώνυμα φορτία, απωθούνται λόγω των απωστικών δυνάμεων. Είναι όμως δυνατόν, να εκφορτιστούν τα φύλλα αν μέσα στο δοχείο εισέλθει μια ακτινοβολία που παράγει ιόντα. Αυτά τα ιόντα απομακρύνουν το ηλεκτρικό φορτίο και έτσι τα φύλλα, σταδιακά, πλησιάζουν και πάλι.

Οι φυσικοί λοιπόν είχαν παρατηρήσει, στις αρχές του αιώνα μας, ότι αν έχουμε ένα ηλεκτροσκόπιο φύλλων χρυσού (μέσα σε ένα ερμητικά κλειστό δοχείο) και τα φορτίσουμε, είναι αδύνατο να παραμείνουν τα φύλλα του χρυσού μονίμως διαχωρισμένα, ακόμη και όταν δεν υπήρχε στο περιβάλλον καμία γνωστή πηγή ακτινοβολίας. Αυτό οδήγησε στο συμπέρασμα ότι στο περιβάλλον υπήρχε κάποια ακτινο6ολία που προερχόταν από μια άγνωστη πηγή.

Ο Αυστριακός φυσικός Victor Franz Hess (1883-l964 ), πίστευε ότι η πηγή αυτή πρέπει να βρίσκεται κάπου στο έδαφος. Έτσι, το 1911 , τοποθέτησε ηλεκτροσκόπια σε αερόστατα, με σκοπό να τα απομακρύνει από την ακτίνα δράσεως της άγνωστης πηγής.

Ο Hess πραγματοποίησε δέκα τέτοιες πτήσεις και παρατήρησε, προς μεγάλη του έκπληξη, ότι στα μεγάλα ύψη, τα φύλλα χρυσού ενώνονται οκτώ φορές πιο γρήγορα από ό, τι στο έδαφος. Το πείραμα αυτό έδειχνε ότι η ακτινοβολία, τελικά, έρχεται από ψηλά, από το διάστημα ή από το Σύμπαν, γενικά. Γι ' αυτό ο Ρόμπερτ Μίλλικαν (1868-1953) ονόμασε την ακτινοβολία αυτή κοσμική ακτινοβολία.

Το 1912, χάρις λοιπόν στις εργασίες του Hess, κατόρθωσαν να ξεχωρίσουν τον ιονισμό που προκαλούσαν στον αέρα διάφορα ραδιενεργά υλικά, τα οποία υπάρχουν στη Γη, από εκείνον που προκαλούσαν διεισδυτικές ακτινοβολίες εξωγήινης προέλευσης.

Συγχρόνως με τις εργασίες αυτές, άλλες εργασίες στη Φυσική και τη Γεωφυσική βοήθησαν να καταλήξουμε στο συμπέρασμα ότι το Σύμπαν ολόκληρο ήταν "διαποτισμένο" από μία ισοτροπική ακτινοβολία, για την οποία υπήρχαν υπόνοιες ότι αποτελείται από ηλεκτρόνια και ακτίνες-γ με μεγάλη ενέργεια.

Κατά την δεκαετία του 1920-1930 ο Robert Millikan, απέδειξε πως η ατμόσφαιρα απορροφεί τις πρωτογενείς κοσμικές ακτίνες (που σήμερα γνωρίζουμε πως αποτελούνται από σωματίδια (πρωτόνια και άλλους γυμνούς πυρήνες στοιχείων, λίγα ηλεκτρόνια και  ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ευρείας περιοχής του Η/Μ φάσματος). Οι αντιδράσεις των σωματιδίων αυτών με τα άτομα και ιόντα του αέρα παράγουν δευτερογενή ακτινοβολία με πολύ μικρότερη ενέργεια όμως και διαφορετική σύνθεση, κυρίως σωματίδια παράξενα, άγνωστα στους περισσότερους, πχ βραχύβια υποατομικά σωματίδια, που μετατρέπονται σε άλλα πάλι βραχύβια σωματίδια, πχ μεσόνια, πιόνια, μιόνια κλπ. Με την ανακάλυψη πως πολλά μεσόνια π⁺, π^- και π⁰ , παράγονται σε πυρηνικές κρούσεις υψηλής ενέργειας βρέθηκε ο χαμένος κρίκος για την ερμηνεία της μεγάλης ροής των φωτονίων και ηλεκτρονίων της ατμόσφαιρας.
Είχαμε έτσι την ευκαιρία να παρατηρήσουμε άγνωστα σωματίδια, στο πρώτο 'εργοστάσιο' υποατομικών σωματιδίων, πριν φτιάξουμε το CERN, το Fermilab και άλλους συγκρουστές υποατομικών σωματιδίων.

Αργότερα ανακαλύφθηκε πως στον γήϊνο ισημερινό, η ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας ήταν μικρότερη από την περιοχή των πόλων, λόγω της δυσκολίας που συναντούν τα φορτισμένα άτομα από το μαγνητικό πεδίο της Γης. Ως γνωστόν στους Πόλους το μαγνητικό πεδίο είναι μικρότερο από τον Ισημερινό, και εισέρχονται πιό εύκολα.

Κατά την δεκαετία του 1930 ανακάλυψαν οι φυσικοί μια 'μαλακή' και μια 'σκληρή' συνιστώσα των ακτίνων. Οι 'σκληρές' συνιστώσες έχουν ενέργεια μέχρι και 10¹⁶ eV. Η ύπαρξη των σωματιδίων αυτών, υπονοεί πως κάπου στο σύμπαν, υπάρχουν δυνάμεις που μπορούν να μεταδώσουν σε ένα απλό πρωτόνιο 100 εκατομμύρια φορές την ενέργεια, που μπορεί να επιτευχθεί στον πιο ισχυρό επιταχυντή της Γης.

Μετά το 1950, ο κόσμος εισήλθε στην διαστημική εποχή, την εποχή του Σπούτνικ, των Pioneer, Mariner, Mars, Venera κλπ. Οι φυσικοί είχαν λοιπόν την ευκαιρία, να παρατηρήσουν την πρωτογενή κοσμική ακτινοβολία, χωρίς τις επιδράσεις της ατμόσφαιρας.

Το 1961, πριν σαράντα χρόνια, βρέθηκαν στην κοσμική ακτινοβολία ηλεκτρόνια, σε αναλογία 2 προς 100 πρωτόνια, κι έτσι επιβεβαιώθηκαν οι θεωρίες για την ύπαρξη τους. Μετά βρέθηκε πως η ποσότητα των ηλεκτρονίων περιέχει και ποζιτρόνια σε αναλογία 10%, που παράγονται από τις συγκρούσεις πρωτονίων υψηλής ενέργειας και πυρήνων υδρογόνου. Η μαρτυρία όμως για τα ηλεκτρόνια είχε προκύψει από την παρατήρηση της ακτινοβολίας ραδιοκυμάτων  που προερχόταν από ολόκληρο το Γαλαξία.

Τα ραδιοκύματα αυτά ερμηνεύτηκαν με την παραδοχή πως ταχέως κινούμενα ηλεκτρόνια, πλησίον της ταχύτητας του φωτός, μέσα σε μαγνητικά πεδία του Γαλαξία μας, παράγουν την παρατηρούμενη ακτινοβολία ραδιοκυμάτων που αποτελούν την γνωστή ακτινοβολία  'σύγχροτρον'.

Από την ιστορία της φυσικής

Το έτος 1895 είναι μια κρίσιμη καμπή στην ιστορία της φυσικής: Πρώτα ο Röntgen ανακάλυψε τις ακτίνες-Χ, και ακολούθησε γρήγορα ο Becquerel με την ανακάλυψη της ραδιενεργού ακτινοβολίας. Κατόπιν έγινε η ανακάλυψη του ηλεκτρονίου - ένα από τα θεμελιώδη στοιχεία του ατόμου.

Πολλοί ερευνητές όπως το ζεύγος Κιουρί (Νόμπελ Φυσικής 1903), εργάστηκαν πάνω στη ραδιενέργεια και ανακάλυψαν το στοιχείο ράδιο. Αργότερα το ζεύγος (Νόμπελ Χημείας 1935) Joliot-Curies ανακάλυψαν ότι τα κανονικά άτομα μπορούν να γίνουν ραδιενεργά από εξωτερικές επιδράσεις.

Η ύπαρξη μιας νέας ραδιενεργού ακτινοβολίας, δηλ. της κοσμικής ακτινοβολίας, έγινε προφανής κατά τη διάρκεια της αναζήτησης των πηγών ραδιενεργού ακτινοβολίας. Αυτή η ακτινοβολία εμφανίζεται κατά τη διάρκεια μεταστοιχείωσης μερικών ασταθών  πυρήνων. Η λέξη ραδιενέργεια πήρε το όνομά της από το στοιχείο ράδιο που εκπέμπει και αυτό ραδιενέργεια.

Σε περίπτωση έκρηξης στον πυρήνα του ατόμου, τα μέρη του ατόμου εκτινάσσονται προς όλες τις κατευθύνσεις. Οι προκύπτουσες ακτίνες περιέχουν τις περισσότερες φορές δύο τμήματα. Ένα βαρύ θετικό κομμάτι (θυγατρικός πυρήνας) και ένα ελαφρύ τμήμα. Όταν όμως περισσεύει η ενέργεια ελευθερώνεται, εκτός από αυτούς τους δύο τύπους ακτίνων, και μια ισχυρή ακτινοβολία, η ακτινοβολία-γ. Οι ακτίνες-γ είναι της ίδιας φύσης με τις ακτίνες-X αλλά πιο δραστικές.

Η παρουσία των ραδιενεργών ακτινοβολιών μπορεί να ανιχνευθεί από το γεγονός ότι αυτές οι εκπεμπόμενες ακτίνες διασπούν τα μόρια του αέρα σε θετικά και αρνητικά τμήματα και κάνουν τον περιβάλλοντα αέρα ηλεκτρικά αγώγιμο, δηλ. τον ιονίζουν. Ένα όργανο π.χ. φορτισμένο ηλεκτροσκόπιο, επομένως θα χάσει το ηλεκτρικό φορτίο του όταν περιβάλλεται από αυτόν τον ιονισμένο αέρα. Για να προστατευθεί από μια τέτοια ακτινοβολία το όργανο πρέπει να περιβληθεί από πλάκες μολύβδου ικανού πάχους.

Ακολούθως, μετά την ανακάλυψη των ραδιενεργών κοσμικών ακτίνων, άρχισε η αναζήτηση ραδιενεργών ουσιών παντού, στον φλοιό της Γης, στις θάλασσες, και στην ατμόσφαιρα με το πιο απλό όργανο που υπήρχε, το ηλεκτροσκόπιο. Όπου κι αν έψαξαν βρήκαν παντού ραδιενεργές ακτίνες. Στα βαθιά νερά των λιμνών, των θαλασσών ή και στα ψηλά βουνά. Όμως η πιο εκπληκτική ανακάλυψη που έγινε ήταν ότι ήταν αδύνατο να απομακρυνθεί η επιρροή των ακτίνων, ανεξάρτητα από το πόσο πυκνά ήταν οι πλάκες μολύβδου που περιέβαλαν το όργανο. Αυτό ήταν ανεξήγητο ως εάν οι ακτίνες προέρχονταν από μια ραδιενεργό ουσία μέσα στη Γη ή από την ατμόσφαιρα. Έτσι οι ερευνητές αναγκάστηκαν να υποθέσουν ότι υπάρχει μια άλλη πηγή ακτινοβολίας άγνωστη σε μας, με ακτίνες μεγάλης διεισδυτικής ισχύος.

Ερευνώντας για αυτήν την νέα πηγή ακτινοβολίας, έψαξαν να βρουν αν αυτή η ακτινοβολία μειώνεται με το ύψος πάνω από τη Γη. Τέτοια πειράματα έγιναν από πολλούς φυσικούς ερευνητές, ακόμη και στον πύργο του Άιφελ. Τα πειράματα έδειξαν  κάποια μείωση της ακτινοβολίας με το ύψος, αλλά όχι στο ποσοστό που αναμενόταν  αν η ακτινοβολία προερχόταν από τη Γη. Οι παρατηρήσεις τότε επεκτάθηκαν και σε μεγαλύτερα ύψη με τη βοήθεια μπαλονιών. Όταν βρέθηκαν σε ένα ύψος 4.500 μέτρων διαπιστώθηκε σε μερικές περιπτώσεις μια μικρή μείωση με το ύψος, αλλά σε άλλες περιπτώσεις, ο ιονισμός παρέμεινε σχεδόν αμετάβλητος.

Αυτές οι μετρήσεις έδειχναν ότι η πανταχού παρούσα ακτινοβολία δεν μπορούσε να αποδοθεί στην ακτινοβολία ραδιενεργών ουσιών πάνω στο γήινο φλοιό.

Η εμφάνιση του Victor Hess

Το μυστήριο της προέλευσης αυτής της ακτινοβολίας λύθηκε έως ότου ο Hess δέχθηκε ότι η ακτινοβολία οφειλόταν στις πολύ ισχυρές ακτίνες-γ. Ερεύνησε λοιπόν λεπτομερώς τον τρόπο με τον οποίο τέτοιες ακτίνες εξασθενίζουν όταν διέρχονται μέσω πυκνών στρωμάτων του αέρα.  Με την πειραματική ικανότητα του ο Hess τελειοποίησε τον πειραματικό του εξοπλισμό, ώστε να μειώσει τα σφάλματά του. Έκανε λοιπόν ο Hess μετρήσεις σε διάφορα ύψη, με μπαλόνια το 1911 και 1912, μέχρι και 5.300 μ.

Οι συστηματικές μετρήσεις του εμφάνιζαν μια μείωση στον ιονισμό μέχρι τα 1.000 μ, αλλά κατόπιν η ακτινοβολία αυξανόταν, έτσι ώστε στα 5.000 μ η ακτινοβολία ήταν δύο φορές μεγαλύτερης έντασης απ' ό,τι στη γήινη επιφάνεια. Μάλιστα μια μέτρηση, που έγινε από άλλους φυσικούς, έδειξε ότι σε ύψος 9.300 μ η ακτινοβολία είναι περίπου 40 φορές μεγαλύτερης έντασης απ' ό,τι στη γη. Από αυτές τις έρευνες ο Hess συμπέρανε ότι υπάρχει μια ακτινοβολία εξαιρετικά διεισδυτική, που προέρχεται από το διάστημα και εισέρχεται στη γήινη ατμόσφαιρα. Αυτή η ακτινοβολία που έχει βρεθεί να προέρχεται από όλες τις πλευρές του διαστήματος έχει ονομαστεί κοσμική ακτινοβολία.

Οι νέες ακτίνες ξεπέρασαν σε ισχύ έντασης και διείσδυσης όλες τις μέχρι τότε γνωστές ακτίνες. Διαπερνούσαν πλάκες μολύβδου πάχους μέχρι κι ένα μέτρο. Ανιχνεύθηκαν δε στο πυθμένα των λιμνών βάθους 500 μ.

Το ζήτημα όμως που απασχολούσε τους φυσικούς ήταν: Από πού προέρχεται αυτή η ακτινοβολία;

Κατά τη διάρκεια των πρώτων μετρήσεων με μπαλόνια ο Hess παρατήρησε ότι δεν υπήρχε καμία ιδιαίτερη διαφορά μεταξύ νύχτας και μέρας, και καμία ειδική επίδραση δεν ανιχνεύθηκε κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλειψης. Επομένως η κοσμική ακτινοβολία δεν θα μπορούσε να δημιουργηθεί από τον ήλιο.

Αργότερα ο Hess έκανε εξαιρετικά ευαίσθητες συστηματικές μετρήσεις των ακτίνων και βρήκε ότι ποίκιλαν στην ίδια τοποθεσία κατά τη διάρκεια της καθημερινής περιστροφής της Γης, σε σχέση όμως με κάποια σταθερή θέση στον ουρανό. Η μεταβολή ήταν πολύ μικρή, μόνο 0.1%,

Εν τω μεταξύ, ο Compton (Nobel 1927) έδειξε θεωρητικά ότι αυτή η αλλαγή μπορεί να  οφειλόταν στην κίνηση του ήλιου και επομένως και της Γης μέσα στο διάστημα. Όντας μέρος του Γαλαξία, το ηλιακό μας σύστημα κι αυτό στην περιστροφή του Γαλαξία. Έτσι και η Γη συμμετέχει σε αυτή την κίνηση με ταχύτητα περίπου 300 km/sec. Η γήινη κίνηση οδηγεί προφανώς σε μια αύξηση στην κοσμική ακτινοβολία που δέχεται, από την πλευρά προς την οποία η Γη κινείται, και σε μια εξασθένιση από την άλλη πλευρά.  Οι υπολογισμοί  του Compton ήταν σωστοί, ο οποίος έτσι συμπέρανε ότι η κοσμική ακτινοβολία δεν προέρχεται από το Γαλαξία μας, αλλά από αστρικά συστήματα αρκετά πέραν αυτού.