Η πρώτη πειραματική ένδειξη ύπαρξης των κοσμικών ακτίνων

Posted on 15/09/2019

0


15 Σεπτεμβρίου 1910: Ο Theodor Wulf δημοσιεύει τα πρώτα πειράματα σχετικά με την κοσμική ακτινοβολία

Theodor Wulf

Σήμερα γνωρίζουμε ότι οι κοσμικές ακτίνες (ή κοσμική ακτινοβολία) είναι στοιχειώδη σωματίδια, πυρήνες και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εξωγήινης προέλευσης. Στο ενεργειακό εύρος  των 1012-1015 eV (ηλεκτρονιοβόλτ), οι κοσμικές ακτίνες που φτάνουν στην ατμόσφαιρα της Γης συνίστανται από:
~50% πρωτόνια
~25% σωματίδια άλφα
~13% πυρήνες C/N/O
<1% ηλεκτρόνια
<0.1% ακτίνες γάμα

Αυτά όμως δεν ήταν γνωστά στις αρχές του 20ου αιώνα. Ο επιστήμονας που σήμερα δεχόμαστε ότι απέδειξε πειραματικά την ύπαρξη των κοσμικών ακτίνων ήταν ο αυστριακός φυσικός Victor Hess[1]. Όμως, όπως συμβαίνει στην επιστημονική έρευνα, εκτός από την έρευνα του Hess, υπήρχαν πολλοί σύγχρονοί του φυσικοί, οι οποίοι συνέβαλαν σημαντικά στην ανακάλυψη των κοσμικών ακτίνων. Μεταξύ αυτών και ο γερμανός Theodor Wulf.

Ο Theodor Wulf γεννήθηκε τον Ιούλιο του 1868 και σε ηλικία 20 ετών χειροτονήθηκε ιερέας ιησουιτών. Μην βρίσκοντας τα θρησκευτικά αρκετά ελκυστικά 🙂 , αποφάσισε στη συνέχεια να σπουδάσει φυσική στο Πανεπιστήμιο του Göttingen. Ένα ανεξήγητο φαινόμενο που προβλημάτιζε την εποχή εκείνη την επιστημονική κοινότητα και είχε παρατηρηθεί από τους φυσικούς του 18ου αιώνα, ήταν η αυθόρμητη εκφόρτιση των ηλεκτροσκοπίων, παρά την ενίσχυση της μόνωσής τους. Ήδη το 1785, ο Γάλλος φυσικός Charles Augustin de Coulomb είχε κοινοποιήσει ένα πείραμα στο οποίο η αυθόρμητη εκφόρτιση ενός ηλεκτροσκοπίου στρέψης αποδίδεται στη δράση του περιβάλλοντος (αέρα) και όχι εξαιτίας της ελλιπούς μόνωσης.

Ο Theodor Wulf άρχισε να προβληματίζεται σχετικά με την προέλευση αυτής της ιονίζουσας ακτινοβολίας που μετράται στην ατμόσφαιρα της Γης, και συγκεκριμένα για το αν έχει γήινη προέλευση ή έρχεται από το διάστημα. Το ταπεινό ηλεκτροσκόπιο υπήρξε ο πρώτος ανιχνευτής κοσμικών ακτίνων (και ραδιενέργειας). Έτσι, το 1909 κατασκεύασε ένα πολύ ευαίσθητο και εύκολα μεταφερόμενο ηλεκτροσκόπιο

Το ηλεκτροσκόπιο που χρησιμοποίησε ο Wulf

Μέτρησε με αυτό τον ιονισμό του αέρα σε διάφορες τοποθεσίες στη Γερμανία, Ολλανδία και Βέλγιο, σε ορυχεία και σπήλαια, ακόμα και μέσα στο νερό, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι η διεισδυτική ακτινοβολία οφείλεται στις ραδιενεργές ουσίες που περιέχονται στα ανώτερα στρώματα του φλοιού της Γης. Στη συνέχεια άρχισε τις μετρήσεις μεταβολών της ραδιενέργειας σε συνάρτηση με το υψόμετρο. Αν η ραδιενέργεια προέρχονταν μόνο από τη Γη, τότε θα έπρεπε να μειώνεται με το υψόμετρο. Ο Wulf εξασφάλισε την άδεια να πραγματοποιήσει μετρήσεις ακτινοβολίας στον πύργο του Άιφελ. Εκεί πέρασε τέσσερις ημέρες – μεταξύ αυτών και το βράδυ της ανάστασης του Πάσχα του 1910. Συνέκρινε τις μετρήσεις ακτινοβολίας με τις αντίστοιχες στην επιφάνεια του εδάφους, στην βάση του πύργου, και στο σπίτι του στο Valkenburg. Δημοσίευσε τα ευρήματά του στις 15 Σεπτεμβρίου 1910 στο περιοδικό Physikalische Zeitschrift. Η ένταση της ακτινοβολίας ήταν λίγο μικρότερη στην κορυφή του πύργου του Άιφελ, όμως αν η ακτινοβολία είχε γήινη προέλευση, τότε θα έπρεπε να είχε μειωθεί πολύ περισσότερο. Κι αυτό διότι ήταν ήδη γνωστό, ότι η ένταση της ακτινοβολίας μειώνεται κατά 50% όταν διανύει 80 μέτρα στο αέρα, ενώ η κορυφή του πύργου απείχε 200 μέτρα από το έδαφος. Σύμφωνα με το ίδιο τον Wulf, «τα πειράματα δείχνουν πως πρέπει είτε να αποκλειστεί ο φλοιός της Γης ως πηγή των ακτίνων ή να θεωρηθεί μια πολύ μικρότερη απορρόφηση της ακτινοβολίας από τον αέρα σε σχέση με αυτή που είχε υιοθετηθεί».

Αυτή ήταν πρώτη πειραματική ένδειξη για την ύπαρξη κοσμικών ακτίνων. Αλλά ο Wulf δεν κατάφερε να πείσει την επιστημονική κοινότητα. Ίσως γιατί η επιλογή του πύργου Άιφελ να ήταν προβληματική για τα πειράματά του. Ο ίδιος αναγνώρισε ότι η μεταλλική δομή του πύργου θα μπορούσε να προσελκύσει ραδιενεργά σωματίδια, τα οποία θα μπορούσαν να είναι μια επιπλέον πηγή ακτινοβολίας, δημιουργώντας έτσι πρόβλημα στις μετρήσεις.

Τα πειράματα του Wulf συνέχισε ο Albert Gockel, ο οποίος χρησιμοποιώντας αερόστατο για μετρήσεις ακτινοβολίας σε υψόμετρο 3000 μέτρων, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο ιονισμός δεν μειώνεται με το ύψος, οπότε δεν μπορεί να έχει καθαρά επίγεια προέλευση. Ήταν ο πρώτος που εισήγαγε τον όρο «κοσμική ακτινοβολία» (kosmische Strahlung). Το 1911 ο Ιταλός φυσικός Domenico Pacini έκανε μετρήσεις με ηλεκτροσκόπιο σε διάφορα μέρη, ακόμα και υποβρύχιες μετρήσεις 3 μέτρα κάτω από το νερό. Κατέληξε επίσης στο συμπέρασμα ότι η κύρια πηγή της ιονίζουσας ακτινοβολίας προέρχονταν από την ατμόσφαιρα. Όμως, την δόξα και το βραβείο για την ανακάλυψη πήρε τελικά ο Victor Hess.

[1] Στις 7 Αυγούστου του 1912, ο Hess έκανε μετρήσεις σε ύψος 5300 μέτρων, κατά την διάρκεια μιας σχεδόν ολικής έκλειψης του ηλίου. Επειδή ο ιονισμός της ατμόσφαιρας δεν μειώθηκε κατά τη διάρκεια της έκλειψης, υποστήριξε ότι η πηγή της ακτινοβολίας δεν ήταν ο ήλιος, αλλά το απώτερο διάστημα. Ψηλά στην ατμόσφαιρα της Γης ο Hess είχε ανακαλύψει πέραν κάθε αμφιβολίας μια φυσική πηγή σωματιδίων υψηλής ενέργειας: τις κοσμικές ακτίνες. Και γι αυτό βραβεύθηκε με το Νόμπελ φυσικής το 1936.

πηγή: https://www.aps.org/publications/apsnews/201908/history.cfm