1 Kosmische straling
advertisement
1 1 Leerlingproject: Kosmische straling — 28 februari 2002 Kosmische straling Onder kosmische straling verstaan we geladen deeltjes die vanuit de ruimte op de aarde terecht komen. Kosmische straling is onder te verdelen in twee soorten: primaire kosmische straling en secundaire kosmische straling. Onder primaire kosmische straling verstaan we de deeltjes die vanuit de ruimte naar ons toe komen. Als deze deeltjes op onze atmosfeer botsen zal het grootste gedeelte dit niet overleven. De deeltjes vallen uiteen in meerdere andere (lichtere) deeltjes. Dit noemen we ook wel het verval van primaire stralingsdeeltjes. Die lichtere deeltjes zullen op de aarde terecht komen. Dat noemen we secundaire straling. 1.1 Opdracht Schrijf een werkstuk over kosmische straling. Als opstapje vind je hieronder alvast wat informatie met bijbehorende vragen. Het is niet de bedoeling dat je alle vragen tot in detail gaat beantwoorden: ze zijn alleen bedoeld om je op weg te helpen bij het schrijven van je werkstuk. Je kunt zelf beslissen welke vragen je interessant genoeg vindt om in je werkstuk te verwerken. Waarschijnlijk zul je het internet nodig hebben voor aanvullende informatie. Op de NAHSA-homepage zijn een aantal handige links naar informatieve websites over kosmische straling verzameld: http://www.hef.kun.nl/nahsa Op de website is eveneens de laatste versie van dit document te vinden. Let op de datum bovenaan de pagina’s. 1.2 Ontdekking van kosmische straling Kosmische straling werd ontdekt aan het begin van deze eeuw. Men wist al een tijdje dat er op aarde radioactieve stoffen voorkomen, en dat deze straling uitzenden. De Oostenrijker Victor Hess besloot in 1912 in een luchtballon op te stijgen en hoog in de lucht de afname van die straling te meten. 12 Waarom verwachtte Victor Hess een afname van straling hoog boven de aarde in vergelijking met de straling op zeeniveau? Maar het stralingsniveau bleek naar boven toe alleen maar toe te nemen! Daaruit concludeerde hij dat er een andere straling van boven moest komen. Dit noemde hij kosmische straling. 1.3 Energieën De energie van kosmische straling drukken we meestal uit in eV (elektronvolt). 1 elektronvolt is gelijk aan de kinetische energie die een elektron wint als het versneld wordt 2 Leerlingproject: Kosmische straling — 28 februari 2002 met behulp van een spanningsverschil van 1 volt. 22 Gebruik deze definitie om te berekenen hoeveel joule gelijk is aan 1 eV. De meeste kosmische straling heeft een energie tussen de 100 MeV en de 10 GeV. Boven de 1 GeV komen de energieën steeds minder voor. Deeltjes met een energie die 10 GeV is, zullen al vijftig keer minder voorkomen dan deeltjes met een energie van 1 GeV! Deeltjes met energieën van meer dan 1020 eV zijn dus erg zeldzaam. Maar in 1993 is in Utah een deeltje gedetecteerd met een energie van 3 · 1020 eV. Als we deze energie omrekenen naar joule, dan lijkt de energie ineens behoorlijk klein. Maar je moet je wel realiseren dat al deze energie in een extreem klein deeltje zit! 32 Stel dat we dit deeltje uit zouden vergroten tot een tennisbal. Laten we aannemen dat een tennisbal ongeveer 60 gram weegt. Als de tennisbal een (kinetische) energie heeft van 3 · 1020 eV, hoe hoog is zijn snelheid dan? 1.4 Kosmische straling vanuit de zon Onze zon is een van de bronnen van kosmische straling. De zon zendt namelijk protonen en elektronen uit. Dit noemen we de zonnewind. De meeste kosmische straling uit de zon heeft een lage energie. Doordat ze zo’n lage energie hebben kunnen de deeltjes door het magnetisch veld van de aarde zover afgebogen worden dat ze in de atmosfeer terecht komen. De gassen in de bovenste laag van de atmosfeer worden daardoor geı̈oniseerd. Dit zorgt voor het poollicht, ook wel Aurora genoemd. 42 Waarom hoeven we bij het meten van kosmische straling op het aardoppervlak geen rekening te houden met deze soort kosmische straling? 1.5 Galactische kosmische straling Galactische kosmische straling is straling die van buiten ons zonnestelsel komt. Deze straling bestaat uit de kernen van atomen, die de laatste paar miljoen jaren versneld zijn. Ze reizen dan ook bijna met de maximale snelheid die ze kunnen bereiken; de lichtsnelheid. Waarschijnlijk worden ze versneld door supernova’s. 52 Wat is een supernova? Je kunt bij het beantwoorden van deze vraag gebruik maken van de links op onze webpagina. Galactische kosmische straling wordt ook beı̈nvloed door de zon. Als de stralingsdeeltjes namelijk ons melkwegstelsel binnenkomen, komen ze in een magnetisch veld terecht dat veroorzaakt wordt door de zonnewind. Dit magnetisch veld zorgt ervoor dat de deeltjes wat van hun energie kwijt raken. Hoe groter het magnetische veld, hoe groter het gedeelte van hun energie dat ze kwijt raken. Deeltjes met een lage energie zullen de aarde zelfs helemaal niet meer halen. De sterkte van het magnetische veld is afhankelijk van de activiteit van de zon. Als de zon actiever is, zal er dus minder galactische kosmische straling op de aarde gedetecteerd worden. Onze zon heeft een cyclus van elf jaar. Dit is ook duidelijk te zien als we de hoeveelheid galactische straling bekijken. 3 1.6 Leerlingproject: Kosmische straling — 28 februari 2002 Abnormale kosmische straling In het Engels noemen ze deze soort kosmische straling Anomalous Cosmic Rays. Abnormale kosmische straling is zo genoemd, omdat ze van een heel andere samenstelling is dan de andere twee soorten kosmische straling. Galactische kosmische straling en kosmische straling vanuit de zon bevatten veel meer protonen dan helium, en evenveel zuurstof als koolstof. Abnormale kosmische straling daarentegen bevat meer helium dan protonen en meer zuurstof dan koolstof. Abnormale kosmische straling ontstaat uit neutrale atomen uit de ruimte. Deze komen de heliosfeer (het gebied rond de zon waarbinnen je ‘last’ hebt van het magnetische veld veroorzaakt door de zonnewind) binnen. Daar worden ze geı̈oniseerd. Door de zonnewind worden de ionen dan naar het uiteinde van de heliosfeer geblazen, daar worden ze versneld en uiteindelijk komen ze weer in de buurt van de aarde terecht en kunnen wij de geı̈oniseerde atomen detecteren. 62 Waarom zit er meer helium dan protonen in abnormale kosmische straling? Hint: denk aan het ontstaan van abnormale kosmische straling. Deze vorm van straling haalt niet zulke hoge energieën als de galactische kosmische straling. 72 Waarom niet, denk je? Hint: hoe kan een deeltje aan heel veel (kinetische) energie komen? 1.7 Oorsprong van kosmische straling Zoals al gezegd, ontstaat de meeste kosmische straling uit atomen die hun elektronen verloren zijn en versneld zijn door supernova’s. Maar hoe lang zijn deze kernen onderweg voor ze bij de aarde aankomen? Het principe dat we gebruiken om dit te meten is hetzelfde als wat archeologen gebruiken als ze de leeftijd van een archeologische vondst willen bepalen. Zij gebruiken de C-14-methode. 82 Wat is de C-14-methode en hoe werkt het? Astronomen gebruiken geen koolstof bij het bepalen van de leeftijd van kosmische straling, maar ze gebruiken Beryllium. Beryllium heeft een radioactief isotoop 10 Be. 10 Be heeft een halfwaardetijd van 1,6 miljoen jaar. Uit deze metingen blijkt dat kosmische straling er gemiddeld 10 miljoen jaar over doet voordat zij in ons melkwegstelsel aankomt. Kosmische straling met een energie groter dan 1018 eV kan alleen ontstaan uit een heel groot object, óf op een plaats waar een heel groot magneetveld aanwezig is. Stel dat deze hoogenergetische straling binnen onze melkweg ontstaan is, dan zou deze vlakbij de aarde onstaan moeten zijn. Het magnetisch veld van onze melkweg is namelijk niet sterk genoeg om deze deeltjes binnen de melkweg te houden. Als de straling ergens aan de rand van ons melkwegstelsel zou worden geproduceerd, dan zou de straling zo onze melkweg uitvliegen en zouden we ze niet kunnen detecteren op aarde. 92 Als hoogenergetische kosmische straling inderdaad binnen onze melkweg geproduceerd 4 Leerlingproject: Kosmische straling — 28 februari 2002 wordt, wat zegt dat dan over de richting waar deze straling vandaan komt? Hint: denk aan de vorm van ons melkwegstelsel. Stel dat de oorsprong van deze straling niet binnen onze melkweg ligt. Laten we eens kijken wat er gebeurt als we een deeltje nemen dat van heel ver weg komt. Dit deeltje zou onderweg botsen met achtergrondstralingsfotonen. Dit zijn fotonen die overgebleven zijn van de Big Bang. Iedere keer dat het deeltje met zo’n foton botst, verliest het wat van zijn energie. Dit deeltje komt van zo ver weg dat het, als het op aarde aankomt, al zo veel energie verloren is dat de energie die we meten niet meer extreem hoog is. Een deeltje dat wél een extreem hoge energie heeft als het op aarde terecht komt, kan dus niet van al te ver komen. De grens die men neemt is 150 miljoen lichtjaar. Toen men net begonnen was met onderzoek naar kosmische straling dachten de wetenschappers dat er geen kosmische straling voor zou komen met een energie hoger dan 4 · 1019 eV, vanwege die achtergrondstraling. Maar dit blijkt dus wel zo te zijn! 10 2 Een afstand van 150 miljoen lichtjaar lijkt enorm ver weg. En dat is het natuurlijk ook. Maar hoe ver is dat nou eigenlijk in vergelijking met de grootte van het heelal? Ga naar een webpagina over ons heelal (zie links op de webpagina) en bekijk welke objecten zich op 150 miljoen lichtjaar van onze aarde bevinden. Omvat dit een groot deel van het heelal? 1.8 Detectie van kosmische straling Op aarde meten we secundaire kosmische straling. Die ontstaat als een primair kosmisch stralingsdeeltje op de atmosfeer botst. Het primaire deeltje vervalt en door nog veel meer interacties met de atmosfeer ontstaat een shower (douche) van secundaire deeltjes. Zie plaatje! Sommige van deze deeltjes komen op aarde aan. Die kunnen we detecteren. Wetenschappers zijn op het moment erg geı̈nteresseerd in het meten van hoogenergetische kosmische straling, omdat ze graag willen weten waar deze straling vandaan komt. Een probleem is echter dat deze straling erg zeldzaam is. Een energie van 1020 eV komt ongeveer eens per vierkante kilometer per eeuw voor. . . Wil je deze kosmische straling meten dan moet je dus óf lang wachten óf een hele grote detector bouwen. De meest gebruikte oplossing hiervoor is het maken van een lange rij met detectoren, zodat je toch een groot oppervlak bestrijkt. Als meerdere detectoren (bijna) tegelijk een deeltje detecteren, dan weet je dat er een shower geweest is. 11 2 Hoe zou je de richting van een shower kunnen bepalen met een rij van detectoren? Denk aan (kleine) tijdsverschillen tussen de detecties bij verschillende detectoren. Showers met hoge energieën komen dan wel niet zo veel voor, showers met lagere energieën daarentegen komen erg veel voor. Als we buiten gaan wandelen gaan er door ons lichaam een paar duizend kosmische stralen per minuut. Hier merken we echter niets van! Sterker nog, kosmische straling is maar een paar procent van de totale achtergrondstraling op aarde. Het wordt anders als we als astronaut een ruimtewandeling gaan maken. 12 2 Waarom zijn kosmische stralen in de ruimte gevaarlijker dan op aarde? 5 1.9 Leerlingproject: Kosmische straling — 28 februari 2002 Deeltjes uit een shower die op de aarde terecht komen We bekijken nu welke deeltjes uit zo’n shower van deeltjes de aarde halen. De meeste deeltjes die ontstaan hebben een korte levensduur en vervallen heel snel weer. Uiteindelijk zullen er op het aardoppervlak nog maar een paar verschillende soorten deeltjes terecht komen. Dat zijn meestal elektronen, neutrino’s en muonen. 1.9.1 Elektronen Het is al een tijdje bekend dat atomen bestaan uit een kern (protonen en neutronen) en elektronen die daar omheen draaien. Maar deze elektronen kunnen dus ook los voorkomen. Elektronen hebben een lading van −1 en een gewicht van ruim 5 · 10−4 u. Elektronen hebben een gemiddelde levensduur van ongeveer 1024 jaar. 1.9.2 Muonen Muonen zijn de zwaardere broertjes van de elektronen. Ze hebben ook een lading van −1, maar ze hebben een gewicht van ongeveer 0,1 u. Muonen vervallen veel sneller, gemiddeld in ongeveer 10−6 seconde. Dit lijkt heel snel, zeker in vergelijking met het elektron. Waarom komen er dan toch nog muonen op de aarde terecht? Dit komt doordat de levensduur van het muon lang is in vergelijking met andere deeltjes die tijdens de vervallen ontstaan. Bovendien moet je je realiseren dat alle deeltjes met bijna de lichtsnelheid bewegen. Daardoor kunnen muonen toch nog de afstand tot de aarde ‘overbruggen’. Maar als de muonen bijvoorbeeld een dak van een gebouw tegenkomen, zullen ze snel vervallen. Je kunt dus duidelijk meten dat er een verschil in stralingsniveau is tussen een meting onder het dak en een meting op het dak. 13 2 Probeer dit verschijnsel te meten. Doe dit met behulp van een geigerteller. Zoek eerst op wat een geigerteller is en hoe hij werkt (bijvoorbeeld met behulp van onze links). Bedenk dan wat je precies wilt meten. Kon je het verschijnsel meten? 1.9.3 Neutrino’s Neutrino’s zijn ongeladen deeltjes met een te verwaarlozen massa. Ze ontstaan bijvoorbeeld als een muon of een elektron vervalt. Neutrino’s hebben geen lading. Ze hebben ook bijna geen interactie met materialen. Neutrino’s zijn dan ook bijna niet te detecteren.
