Univerzitet u Novom Sadu
Prirodno-matematički fakultet
Departman za fiziku
Dejana Hornjak
Redukcija pozadinskog zračenja pri
ispitivanju radiokarbona na tečnom
scintilacionom spektrometru
-
Diplomski rad-
Mentor
Prof. dr Nataša Todorović
Novi Sad, 2021.
4
1
Kosmičko zračenje
Kosmičko zračenje je skup visokoenergetskih čestica koje se kreću ultrarelativističkim
brzinama kroz svemir i Zemlju pogađaju iz svih pravaca. Ovaj fenomen je otkrio Viktor Franc
Hes koji je 1912. godine izveo let balonom i uz pomoć elektrometra primetio da se intenzitet
jonizujućeg zračenja povećava u atmosferi. Predpostavio je da mora postojati dodatni izvor
jonizacije molekula vazduha, pored prirodne radioaktivnosti iz Zemlje. Pokazao je da intentzitet
ovog zračenja raste sa visinom. Zaključio je da je uzrok ove pojave postojanje radijacije koja
ulazi u atmosferu odozgo. Za ovo otkriće je dobio Nobelovu nagradu 1936. godine. U početku
se verovalo da je ovo zračenje elektromagnetno (zbog ovoga se i naziva zračenje), dok se
kasnije nije primetilo da na njega utiče i Zemljino magnetno polje, pa ovo mora biti
naelektrisano zračenje. Preciznijim merenjima je utvrđeno da se maksimum zračenja nalazi na
oko 22 km od površine zemlje, a zatim opada do oko 60 km visine odakle ostaje konstantna
vrednost. Do 50-tih godina XX veka kosmičko zračenje je bilo jedini izvor visokoenergetskih
čestica u eksperimentalnoj fizici visokih energija, što je dovelo do otkrića novih elementarnih
čestica (pozitron, mion i pion). Zajedno sa Hesom, Karl Anderson je dobio Nobelovu nagradu
za otkriće pozitrona 1936. godine. Kosmičko zračenje delimo na primarno i sekundarno.
Kosmičko zračenje je od svog otkrića postalo predmet brojnih teorijskih i
eksperimentalnih istraživanja, jer se radi o jedinstvenoj pojavi u svemiru. Većina ovih
istraživanja predstavlja jedne od najsloženijih i najskupljih naučnih poduhvata koji se realizuju
kroz međunarodne inicijative i kolaboracije uz učešće velikog broja istraživača i inžinjera. Zbog
prirode kosmičkog zračenja i u zavisnosti od ciljeva istraživanja, eksperimentalne postavke se
nalaze na različitim egzotičnim lokacijama širom sveta, visoko na planinama ili duboko pod
zemljom ili morem, u severnom i južnom polarnom krugu, kao i na satelitima i svemirskim
sondama.
Primarno kosmičko zračenje
Primarno kosmičko zračenje čine pozitivno naelektrisane čestice, tj. jezgra elemenata, od
protona kao jezgro vodonika do teških elemenata. Ovo zračenje može biti različitih energija, ali
spada u visokoenergetsko zračenje sa energijama od nekoliko desetina MeV do čak
10
16
???
.
Primarno kosmičko zračenje ne doseže do površine Zemlje jer na svom putu interaguje sa
atmosferom i time stvara sekundarno zračenje. Detekcija primarnog zračenja nam daje podatke
o redu veličine energije kosmičkih čestica koje stižu na Zemlju. U početku su one detektovane
Vilsonovom maglenom komorom, a posle i uz pooć električnog polja kojim im je zakretana
putanja pa su se na taj način dobijale prve informacije o naelektrisanju visokoenergetskih
5
čestica kosmičkog zračenja. Tako se došlo do informacija da kosmički zraci interaguju sa
zemljinim magnetnim poljem, pa od njihove energije direktno zavisi i putanja u blizini Zemlje
i u njenoj atmosferi. Postojanje magnetnih polova na Zemlji uslovljava postojanje magnetnih
linija sila, pa ako se čestica kreće duž linije sile na nju neće delovati dodatna sila, ali ako bi se
čestica kretala normalno na pravac ovih linija, na nju će delovati maksimalna Lorencova sila i
doći će do njenog skretanja. Čestice manjih energija mogu toliko da skrenu da u potpunosti
promaše Zemlju. Ove činjenice dovode do toga da minimalna energija kosmičkog protona na
polovima iznosi oko
2.5 ???
, dok na ekvatoru iznosi
15 ???
.
Poreklo kosmičkog zračenja najviših energija (preko
10
10
???
) je jedna od glavnih
nerešenih misterija moderne fizike. Problme nije u samom mehanizmu produkcije ovih čestica,
već u utvrđivanju koji od verovatnih procesa su odgovorni za njihovu produkciju, odnosno do
njihovog ubrzavanja do ultravisokih energija. Danas je poznato da svaki astronomski objekat
sa magnetizovanom dinamičkom, kosmičkom plazmom može biti izvor kosmičkog zračenja.
Prema poreklu, a samim tim i energiji, kosmičko zračenje može biti:
1.
Intergalaktičko zračenje – predstavlja komponentu primarnog zračenja koja ima najvišu
energiju (
10
10
− 10
15
???
). Čestice maksimalnih energija nastaju van naše galaksije.
Problem sa proučavanjem ovog zračenja leži u tome da do nas dolazi jako mali broj ovih
čestica izuzetno visokih energija. Predpostavlja se da one nastaju određenim
elektromagnetnim procesima, pri čemu možemo navesti i neke potencijalne izvore
poput eksplozija gama zraka, aktivnih galaktičkih jezgara, galaktičkih sudara itd.
2.
Galaktičko kosmičko zračenje – potiče iz naše galaksije (energija
10 − 10
10
???
).
Većinu ovog zračenja čine protoni (90%) i alfa čestice (8%) dok ostatak čine teža jezgra.
Primećujemo da sastav kosmičkog zračenja odgovara odnosu elemanata u prirodi.
Izuzeci su jedino neki lakši elementi poput litijuma, berilijuma ili bora. Kosmičko
zračenje dakle čine ubrzana jezgra elemenata iz prirode, pa se tako odstupanje u
koncentraciji lakših elemenata može tumačiti povećanim brojem raspada težih
elemenata u kosmičkom zračenju usled interakcije sa međuzvezdanim gasom. Fluks
kosmičkih zraka je oko
1 ??
−1
?
−1
, a gustina energije je oko
1.3 ??/??
3
dok je na
primer fluks zvezdanog zračenja oko
0.4 ??/??
3
, a energetski fluks međuzvezdanog
gasa oko
0.6 ??/??
3
, pa i ovo pokazuje da kosmički zraci imaju veoma velike
energije.
3.
Solarno kosmičko zračenje – potiče od Sunčeve aktivnosti i veoma lako se detektuje i
izdvaja iz ukupnog kosmičkog zračenja (energija od
1
do
10 ???
). Intenzitet zračenja
7
λ =
A
N
A
σ
???
(1.1
)
gde je
σ
???
efikasni presek za interakciju sa jezgrom vazduha i
?
srednji atomski broj
vazduha (
? ≈ 14.5
). U slučaju nukleona energije reda
???
, efikasni presek za interakciju
je
σ
???
≈ 300 ??
, pa je srednji slobodni put
?
?
≈ 80 ?/??
2
.
Komponente sekundarnog kosmičkog zračenja
Komponente sekundarnog kosmičkog zračenja se mogu kategorisati na više načina. U
zavisnosti od toga da li se zračenje apsorbuje jako ili slabo, razlikujemo meku i tvrdu
komponentu. Meku komponentu čine čestice niskih energija koje se apsorbuju u olovu
debljine
15 ??
, odnosno elektroni i fotoni. Primarni fotoni nastaju raspadom
?
0
mezona.
Oni zatim mogu da vrše kreiranje para elektron-pozitron u okolini jezgra. Dalje
pozitronskim raspadom dobijamo novo gama zračenje, a elektron može da emituje zakočno
zračenje. Tvrda komponenta zračenja prolazi kroz
15 ??
olovne zaštite i čine je teže
čestice. Na malim nadmorskim visinama su to mioni.
Prema tipu interakcije čestica sa materijom, razlikujemo nukleonsku i elektromagnetnu
komponentu sekundarnog zračenja. Nukleonska komponenta se sastoji od neutrona i
protona. Elektromagnetnu komponentu čine elektroni, pozitroni i fotoni. Pioni, kao i mioni
koji nastaju njihovim raspadom, ponekad se svrstavaju u posebnu mezonsku komponentu,
koja je ekvivalentna tvrdoj komponenti. Mioni niskih energija mogu doprineti i
elektromagnetnoj komponenti, svojim raspadom ili proizvodnjom δ-elektrona.
Veze između različitih komponenti sekundarnog kosmičkog zračenja mogu se prikazati
na sledeće načine:
![Kvantni prinos prelaza od 521kev iz raspada [196]Au](https://public-cdn.studenti.rs/132292/thumbnails/thumbnail-320.jpg)
