[论文解读] On the Observations of the Penetrating Radiation during Seven Balloon Flights

Victor F. Hess|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用 12

一句话总结

维克托·F·赫斯于1912年进行了七次高空气球飞行，使用三种类型的沃尔夫静电计测量穿透辐射，发现电离程度随高度显著增加——在5,200米高空时，电离值比地面水平高出100%以上。他由此推断辐射源自外层空间，这是首次直接证明宇宙射线的存在，为宇宙射线的发现奠定了基础，后经科赫斯特证实，并于1936年获得诺贝尔物理学奖。

ABSTRACT

At the beginning of the twentieth century, the Austrian (later naturalized American) Victor Hess among others developed a brilliant line of research, leading to the final determination of the extraterrestrial origin of part of the atmospheric radiation. Before his work, the origin of the radiation today called "cosmic rays" was strongly debated, as many scientists thought that these particles came integrally from the crust of the Earth. There was however an active and rich research on the topic. Victor (at that time Viktor) Hess measured in 1912 the rate of discharge of an electroscope that flew aboard an atmospheric balloon. Since the discharge rate increased as the balloon flew at higher altitude, he concluded that the origin of part of the natural radiation could not be terrestrial. For this discovery, Hess was awarded the Nobel Prize in 1936, and his experiment became legendary. The fundamental article published by Victor Hess in 1912, reporting a significant increase of the radiation as altitude increases, is translated and commented here. The decisive measurement was performed in the last of the seven flights on aerostatic balloon described.

研究动机与目标

• 解决沃尔夫地面观测结果与地表放射性模型预测的辐射随高度降低之间的矛盾。
• 通过受控的气球载具测量，研究高空穿透辐射的行为。
• 确定高空辐射增加是否源于地外来源，而非地球放射性。
• 通过使用不同壁厚的仪器，区分伽马射线与贝塔射线的贡献。
• 确认多个仪器同时出现辐射波动，表明辐射源为外部因素，而非仪器误差。

提出的方法

• 1912年4月至8月期间，进行了七次高空气球飞行，主要在夜间进行，以减少干扰并确保读数稳定。
• 使用三台沃尔夫型静电计：两台具有3毫米厚金属壁（对贝塔射线不敏感），一台具有0.188毫米厚锌壁（对贝塔射线敏感），所有仪器均配备电离室。
• 在目镜中使用可滑动的凹面透镜，以保持聚焦调节过程中的恒定放大倍数，提高读数精度。
• 通过每小时电荷损失测量电离率，并利用已知电容值换算为每立方厘米每秒的离子数。
• 通过将观测值乘以标准气压（750毫米汞柱）与飞行期间平均气压的比值，对空气密度变化进行校正。
• 从高空读数中减去地面电离值，以隔离由高度引起的增加部分。

实验结果

研究问题

• RQ1 穿透辐射是否如地表放射性模型所预测的那样随高度增加而减少？
• RQ2 高空观测到的电离增加是否源于地球大气层上方的辐射源？
• RQ3 多个仪器同时出现的波动是否表明辐射变化是辐射场本身的固有特性，而非仪器误差？
• RQ4 高空测量到的辐射是否可完全归因于伽马射线，还是其他成分如贝塔射线也显著贡献？
• RQ5 穿透辐射在空气中的真实吸收系数是多少？与已知伽马射线吸收系数相比如何？

主要发现

• 在地面以上稍高处，电离略有下降，表明存在微弱的局部效应，但随后随高度持续上升。
• 在3,000至4,000米高度之间，电离值比地面水平高出50%。
• 在4,000至5,200米高度之间，电离值超过地面值100%以上，达到地表值的1.5倍以上。
• 辐射增加并非源于地球来源，因为与地面放射性物质或压舱沙无相关性。
• 多个仪器同时出现的波动证实辐射变化为真实外部现象，而非仪器不稳定所致。
• 穿透辐射的吸收系数在标准温度和压力下约为每厘米空气10⁻⁵，远低于伽马射线的预期值，表明存在一种新型辐射。