6.1 Kosmische Strahlung
Quelle: Themenpool §6 · Mitschrift §3.3.7–§3.3.8 (siehe auch Kernphysik §12.10)
Entdeckung — Hess 1912
Die Ausgangslage. 1912 war die Radioaktivität frisch entdeckt; man kannte ionisierende Strahlung nur aus radioaktivem Gestein und nahm daher an, sie käme aus dem Boden. Messen kann man sie mit einem Elektroskop (Ionisation entlädt es): Je mehr ionisierende Strahlung, desto schneller fällt die Ladung ab.
Die Logik des Experiments. Wenn die Strahlung wirklich aus dem Boden kommt, dann muss sie mit wachsendem Abstand zum Boden abnehmen — genau wie jede Quelle mit der Entfernung schwächer wird. Viktor Hess stieg deshalb mit einem Ballon auf und maß die Ionisation in verschiedenen Höhen. Erwartung: Abnahme.
Das Ergebnis. Bis zu einigen hundert Metern sank die Strahlung tatsächlich leicht (der Bodenanteil) — doch in größerer Höhe nahm sie wieder zu, je höher, desto stärker. Schluss: Ein Teil der Strahlung kann nicht aus dem Boden stammen; sie kommt aus dem Weltall (die „kosmische" Strahlung). ✎ Dass sie auch nachts und bei Sonnenfinsternis vorhanden war, zeigte später, dass nicht nur die Sonne, sondern der gesamte Kosmos die Quelle ist. ✎ Für diese Entdeckung erhielt Hess 1936 den Nobelpreis für Physik.
Quellen und Einteilung
Quellen: Supernovae, Neutronensterne, schwarze Löcher, sehr heiße Sterne und unsere Sonne — überall dort, wo Teilchen auf extrem hohe Energien beschleunigt werden.
Eingeteilt wird nach zwei verschiedenen Kriterien — die man nicht verwechseln darf:
| Kriterium | Typen |
|---|---|
| nach Quelle (woher kommt sie?) | solare Strahlung (von der Sonne, v. a. Protonen + α-Teilchen (Heliumkerne aus 2 Protonen + 2 Neutronen)) · interstellare Strahlung (aus den Tiefen des Alls) |
| nach Wechselwirkung (hat sie schon Luft getroffen?) | primäre Strahlung (direkt aus dem All, bevor sie auf die Atmosphäre trifft) · sekundäre Strahlung (entsteht beim Aufprall der Primärteilchen auf N₂/O₂; ca. 75 % Myonen und Antimyonen) |
✎ Wie entsteht die Sekundärstrahlung? Ein hochenergetisches Primärteilchen (meist ein Proton) trifft in großer Höhe einen Luftkern (N₂/O₂) und zertrümmert ihn. Dabei entsteht ein ganzer Teilchenschauer aus kurzlebigen Teilchen, die rasch weiter zerfallen; am Ende dieser Zerfallskette stehen vor allem die Myonen — schwere „Verwandte" des Elektrons. Genau diese Myonen erreichen den Boden und führen zum Myonenproblem (§6.2).
Schutz (z. B. Mars-Mission): gefrorenes Wasser als Abschirmung (✎ Formulierung aus dem Unterricht: das Raumschiff mit einer ca. 5 m dicken Wasserschicht umhüllen — Wasser ist wasserstoffreich, leichte Kerne moderieren (bremsen) und absorbieren die einfallenden Teilchen am besten, und Trinkwasser muss ohnehin mit — doppelter Nutzen), ein Magnetschild (lenkt geladene Teilchen ab — so wie das Erdmagnetfeld uns schützt), Quartiere unter dem Marsboden.
✎ Polarlichter — die Entstehung
Quelle: Mappe S. 43 (Buchseite 31), Originalwortlaut „Sonnenausbrüche verursachen magnetische Stürme … von Polarlichtern begleitet" + Abbildung Nordlicht · ✎ Mechanismus nach Standardphysik ergänzt (hospitierter Original-Prüfungspunkt, siehe auch Exkurs in §6.3)
Die Kette Schritt für Schritt:
- Sonnenausbrüche schleudern große Mengen geladener Teilchen heraus (der Sonnenwind schwillt an) → auf der Erde magnetische Stürme — laut Mappe werden sie von Polarlichtern begleitet.
- ✎ Die geladenen Sonnenwind-Teilchen (vor allem Protonen und Elektronen) werden vom Erdmagnetfeld abgelenkt und entlang der Feldlinien zu den beiden Polen geführt. Warum nur in Polnähe? Weil die Feldlinien nur dort in die Atmosphäre eintauchen — die geladenen Teilchen sind an die Feldlinien „gebunden" und gelangen nur dort in die hohe Atmosphäre; über dem Äquator verlaufen die Feldlinien parallel zum Boden.
- ✎ In ca. 100–300 km Höhe stoßen die Teilchen auf O-Atome und N₂-Moleküle der Atmosphäre und regen sie an.
- ✎ Beim Abregen wird die Energie als Licht frei: Grün = Sauerstoff (557,7 nm, ca. 100–150 km) · Rot = Sauerstoff in größerer Höhe · Blauviolett = N₂.
- ✎ Es ist dieselbe Ablenkung geladener Teilchen im Magnetfeld, die uns auch vor der kosmischen Strahlung schützt (der „Magnetschild" der Mars-Mission ahmt genau das nach) — nur wird sie hier am Himmel sichtbar.