6.1 宇宙射线
来源： 考纲 §6 · 课堂笔记 §3.3.7–§3.3.8（另见核物理 §12.10）
发现——赫斯 1912
背景。 1912 年放射性刚被发现；人们只在放射性岩石里见过电离辐射，因此以为它来自地面。测量它可用验电器（电离会使它放电）：电离辐射越强，电荷掉得越快。
实验的逻辑。 如果辐射真的来自地面，那它就该随离地面越远而减弱——就像任何源都随距离变弱一样。赫斯（Viktor Hess）于是乘气球升空，在不同高度测电离强度。预期：减弱。
结果。 在几百米内辐射确实略降（地面那部分）——但到了更高处却反而增强了，越高越强。结论： 有一部分辐射不可能来自地面；它来自宇宙（即「宇宙」射线）。✎ 后来发现它在夜里和日食时也存在，这说明源头不只是太阳，而是整个宇宙。✎ 赫斯因这一发现获 1936 年诺贝尔物理学奖。
来源与分类
来源： 超新星、中子星、黑洞、极热恒星，以及我们的太阳——凡是把粒子加速到极高能量的地方。
按两个不同标准分类——切勿混淆：
| 标准 | 类型 |
|---|---|
| 按来源（从哪来？） | 太阳宇宙射线（来自太阳，主要是质子 + α 粒子（即氦原子核，由 2 个质子 + 2 个中子组成））· 星际射线（来自宇宙深处） |
| 按相互作用（是否已撞过空气？） | 初级射线（直接来自宇宙，尚未撞上大气）· 次级射线（初级粒子撞击 N₂/O₂ 时产生；约 75% 是 μ 子与反 μ 子） |
✎ 次级射线如何产生？ 一个高能初级粒子（多为质子）在高空撞上一个空气原子核（N₂/O₂）并把它击碎，由此产生一整簇短寿命粒子（粒子簇/Schauer），它们又迅速继续衰变；这条衰变链末端主要剩下 μ 子——电子的「重亲戚」。正是这些 μ 子能到达地面，引出了 μ 子佯谬（§6.2）。
防护（如火星任务）：用冻结的水屏蔽（✎ 课堂口径：用 ~5 m 厚的水层（„eine ca. 5 m dicke Wasserschicht"）包住飞船——水富含氢，轻核最能慢化并吸收入射粒子，而且饮用水反正必须随行，一物两用）、磁屏蔽（让带电粒子偏转——正如地磁场保护我们）、火星地下舱室。
✎ 极光（Polarlichter）的成因
来源： Mappe S. 43（书页 31）原话 „Sonnenausbrüche verursachen magnetische Stürme … von Polarlichtern begleitet" + 北极光插图 · ✎ 机制部分按标准物理补全（旁听真题考点，另见 §6.3 题外话）
逐步链条：
- 太阳爆发（Sonnenausbrüche）抛出大量带电粒子（太阳风骤增）→ 在地球引发磁暴（magnetische Stürme）——课本原话：磁暴常伴随极光出现。
- ✎ 带电的太阳风粒子（主要是质子和电子）被地磁场偏转，沿磁力线被导向两极。为什么只在极区？因为磁力线只在极区向下探入大气——带电粒子被「锁」在磁力线上，只能在那里进入高层大气；赤道上空磁力线与地面平行，粒子进不来。
- ✎ 在约 100–300 km 高空，这些粒子撞击大气中的 O 原子与 N₂ 分子，将其激发（anregen）。
- ✎ **退激发（Abregen）**时能量以光放出：绿 = 氧（557,7 nm，约 100–150 km）· 红 = 更高层的氧 · 蓝紫 = N₂。
- ✎ 这正是保护我们免受宇宙射线的同一机制（磁场偏转带电粒子——火星任务的「磁屏蔽」正是模仿它），只是在这里化作天空中可见的光。