|
Door Joëlle en
Janneke, 4vwo, 2003
Wat is kosmische straling?
Kosmische straling bestaat uit geladen deeltjes uit de ruimte. Deze komen voortdurend op de aarde neer en we merken daar persoonlijk vrij weinig van. De kosmische straling is te verdelen in twee soorten: primaire en secundaire straling. De primaire straling bestaat uit de deeltjes die van uit de ruimte onze richting op komen, maar de aarde niet raken. Ze komen namelijk niet in hun geheel door de atmosfeer heen. Daarom zullen de deeltjes uiteen vallen in andere deeltjes en deze komen wel op de aarde. Dit heet de secundaire straling.
Wie heeft het ontdekt en
hoe?
Kosmische straling werd in 1911
door de Oostenrijker Victor Hess per toeval ontdekt.
Al een tijd hiervoor was bekend
dat er op aarde van nature radioactieve stoffen voorkomen, die straling
uitzenden. Hess wilde onderzoeken hoe erg die aardse straling af zou nemen
naarmate je verder van de aarde vandaan gaat. Deze afname wou hij meten door met
een ballon de lucht in te gaan, maar in plaats van de verwachte afname, nam het
stralingsniveau op grotere hoogte steeds meer toe. Het bleek dus dat er ook
straling van buitenaf op de aarde neerkwam. Dit was de ontdekking van de
kosmische straling.
Waar
bestaat de straling uit?
De
straling bestaat vooral uit protonen met een kern van helium. Ook komen er
kernen van goud en ijzer voor. Over het algemeen bestaat de straling uit
elektronen, muonen
en neutrino’s.
Hoe slaat de kosmische straling
op de aarde neer?
De deeltjes waaruit de straling
bestaat, kunnen gigantisch veel energieën
hebben die miljarden malen hoger zijn dan we ooit met aardse deeltjesversnellers
kunnen bereiken. Deze
energie bereikt zelfs de aarde. De deeltjes knallen hoog boven de atmosfeer op
de luchtmoleculen, die dan helemaal verbrijzeld worden en als een bundel van
elementaire deeltjes met bijna de snelheid van het licht, de atmosfeer
binnendringen. Een deel van die deeltjes wordt in de onderste lagen van de
atmosfeer geabsorbeerd. Een aantal deeltjes dringt zelfs tot kilometers diep in
de aardkorst door. Dit zijn de muonen.
een tekening van een inslaand kosmisch
deeltje
Waar komt de straling
vandaan?
De straling komt van alle kanten
van de ruimte op de aarde neer, maar vooral van de zon. De zon zendt protonen en
elektronen de ruimte in. Deze ‘zonnewind’ wordt hoog boven de aarde opgevangen
in haar magnetisch veld en dan via magnetische krachtlijnen afgevoerd naar de
polen. Als de zon heel erg veel van deze straling uitzendt, kunnen er zoveel
energierijke deeltjes vrijkomen, dat de lucht bij de polen gaat oplichten. Dit
heet het poollicht
opname van het poollicht
Wat is galactische kosmische
straling?
Galactische kosmische straling is
straling die van buiten ons zonnestelsel komt. De straling bestaat uit kernen
van atomen. Ze zijn de laatste miljoen jaar versneld. Hierdoor reizen ze nu met
de maximale snelheid die ze kunnen bereiken namelijk met de lichtsnelheid. De
galactische kosmische straling wordt ook beïnvloed door de zon. De zonnewind
zorgt voor een magnetisch veld. Als de stralingsdeeltjes hierin terecht komen,
raken ze iets van hun energie kwijt. Hoe groter het magnetisch veld, hoe meer
energie de stralingsdeeltjes kwijtraken. Als de deeltjes een te lage energie
hebben, komen ze niet meer op de aarde terecht. Dus elke keer als de zon
actiever wordt, komen er minder deeltjes op de aarde terecht. Dit gebeurt
regelmatig in een periode van 11 jaar en dit kunnen we dus meten met de
hoeveelheid galactische straling die op de aarde terecht komt.
Wat is abnormale kosmische
straling?
Abnormale kosmische straling is
straling met een hele andere samenstelling dan de andere twee soorten
straling (galactische en kosmische
straling). Galactische kosmische straling en kosmische straling bevatten veel
meer protonen dan helium en evenveel zuurstof en koolstof. Abnormale kosmische
straling bevat meer helium dan protonen en meer zuurstof dan koolstof. De
abnormale kosmische straling ontstaat uit neutrale atomen uit de ruimte. Deze
komen de heliosfeer
binnen. Hier worden de deeltjes geïoniseerd
en door de zonnewind worden de ionen naar het uiteinde van de heliosfeer
geblazen. Daar worden ze versneld en uiteindelijk komen ze weer in de buurt van
de aarde en kunnen wij ze meten.
Hoe ontstaat kosmische
straling?
Kosmische straling ontstaat
doordat atomen hun elektronen verliezen en versneld worden. Dit versnellen
gebeurt door supernova’s.
Hoe kunnen we kosmische straling
meten en wat meten we dan?
Op aarde meten we de secundaire
straling. Een primair deeltje botst tegen de atmosfeer en vervalt. Hierdoor
ontstaat een soort douche (shower) van secundaire deeltjes. De deeltjes die
hiervan op aarde komen, meten we. Dit meten gebeurt door middel van detectoren.
Door de detectoren over een groot oppervlak te plaatsen, kunnen de showers
gemeten worden. Als namelijk meerdere detectors op (ongeveer) het zelfde moment
de inslag van een deeltje meten, betekent dit dat er een shower op de aarde
terecht is gekomen. Er bestaan showers met hoge en lage energieën. De showers
met lage energieën komen veel vaker voor dan de showers met hoge energieën. De
deeltjes worden onder andere gemeten met een scintillator-detector.
schematische tekening van een
shower
schematische tekening van een volledige
detector
Hoe werkt een
detector?
Het meten van deze straling
gebeurt onder andere met de scintillator detector. Wanneer een bepaald deeltje
door de scintillator gaat, komen daar fotonen vrij die (niet met het menselijk
oog) te zien zijn als een zeer kleine lichtflits. Het materiaal waaruit de
fotonen vrij komen, is gemaakt van plastic met een bepaald chemisch goedje erin.
schematische weergave van de
detector
Deze vrijgekomen fotonen
(ongeveer 20.000 per muon dat door de detector gaat) weerkaatsen binnenin de
detector en komen vervolgens bij een soort ‘lichtsluis’. Deze sluis heeft een
speciale vorm die er voor zorgt dat de fotonen door middel van weerkaatsing bij
het volgende onderdeel van de detector komen, de
‘photo-multiplier’.
schematische weergave van de
lichtsluis
De photo-multiplier zorgt ervoor
dat de inkomende fotonen omgezet worden in elektriciteit en deze kan weer door
de computer gemeten worden. Als een foton op een speciaal materiaal botst, komt
er een elektron vrij. Dit signaal is nog niet sterk genoeg om te meten en daarom
botst dit elektron weer op een ander materiaal waarbij meerdere elektronen vrij
komen. Door herhaling van dit proces, ontstaat er een goed meetbare stroom. Deze
wordt naar de computer gestuurd en kan worden geregistreerd.
de photo-multiplier
Wat voor soort deeltjes komen op
de aarde neer?
Uit de ruimte komen zeer veel verschillende deeltjes op ons af. Maar veel van die deeltjes hebben een korte levensduur en vervallen in andere deeltjes. Op aarde komen een paar verschillende deeltjes neer. Dit zijn over het algemeen elektronen, muonen en neutrino’s.
Elektronen
draaien in principe rondom de kern
(protonen en neutronen) van een atoom. Maar er is dus ontdekt dat ze ook los
voorkomen. Ze hebben een lading van –1 en een gewicht van 0,0005 u. (Ter
vergelijking: het lichtste atoom, waterstof, weegt 1 u.) Elektronen leven
gemiddeld jaar.
Muonen horen
bij de elektronen, maar zijn veel zwaarder. Ze hebben ook een lading van –1 maar
wegen 0,1 u. De levensduur van muonen is ongeveer seconde. Dit
lijkt verschrikkelijk kort in vergelijking met het elektron. Maar doordat het
nog steeds lang is in vergelijking met andere deeltjes die bij het vervallen
ontstaan, komen ze toch op aarde terecht. Bovendien bewegen de muonen, net als
vele andere deeltjes, met de lichtsnelheid en kunnen ze dus een hele grote
afstand afleggen voordat ze vervallen.
Neutrino’s zijn deeltjes zonder lading en een verwaarloosbare
massa. Ze ontstaan wanneer een elektron of een muon vervalt. Doordat ze geen
lading hebben en bijna geen reactie met materialen hebben, zijn ze vrijwel niet
te detecteren.
Bronvermelding:
http://particleadventure.org/particleadventure/frameless/startstandard.html
Lawrence Berkely National Laboratory, heel goede informatie als een soort quiz, maakt het erg aantrekkelijk, duidelijk, goed niveau, Engelstalig.
National Institute for Nuclear Physics and High Energy Physics, gevestigd in Amsterdam, zeer veel en goede informatie, goed betrouwbaar, hoog niveau, over het algemeen Engelstalig.
Site
van NAHSA, Nijmegen Area High School Array, samenwerkingsproject van de
Universiteit Nijmegen met middelbare scholen uit de regio, goed tot hoog niveau,
goed betrouwbaar, Nederlandstalig.
High-School Project on
Astrophysics Research with Cosmics, het idee om dit onderwerp te kiezen, goede
site met veel links, goed tot hoog niveau, goed betrouwbaar, duidelijke
informatie, Nederlandstalig.
http://www.astro.uva.nl/encyclopedie/straling.html
Site van Sterrenkunde
Encyclopedie, betrouwbaar, goed tot hoog niveau, veel goede links,
Nederlandstalig.
Janneke is naar een voorlichting
bij het NIKHEF geweest over het detecteren van kosmische straling.
Onbeantwoorde vragen:
-
Hoeveel detectors bestaan er al
ongeveer en wat zijn de resultaten van deze detectors?
-
We merken vrijwel niets van de
kosmische straling, maar waarschijnlijk staan een heleboel processen onder
invloed van deze straling. Wat voor processen en wat is die invloed?
-