[论文解读] Penetrating Radiation at the Surface of and in Water

Domenico Pacini|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

多梅尼科·帕奇纳在1912年的研究通过测量海面上方空气中的电离现象，提供了宇宙射线存在的早期实验证据，表明即使屏蔽了地壳放射性的影响，穿透性辐射依然存在。他将一个验电器置于厚1.5毫米的铜盒中并浸入水深3米处，发现电离速率显著高于基于大气和海水放射性的理论预测，从而得出结论：存在一种与土壤放射性无关的显著电离辐射源——这比维克多·赫斯的高空气球实验更早预见了宇宙射线的发现。

ABSTRACT

At the beginning of the twentieth century, two scientists, the Austrian Victor Hess and the Italian Domenico Pacini, developed two brilliant lines of research independently, leading to the determination of the origin of atmospheric radiation. Before their work, the origin of the radiation today called "cosmic rays" was strongly debated, as many scientists thought that these particles came from the crust of the Earth. The approach by Hess is well known: Hess measured the rate of discharge of an electroscope that flew aboard an atmospheric balloon. Because the discharge rate increased as the balloon flew at higher altitude, he concluded in 1912 that the origin could not be terrestrial. For this discovery, Hess was awarded the Nobel Prize in 1936, and his experiment became legendary. Shortly before, in 1911, Pacini, a professor at the University of Bari, made a series of measurements to determine the variation in the speed of discharge of an electroscope (and thus the intensity of the radiation) while the electroscope was immersed in a box in a sea near the Naval Academy in the Bay of Livorno (the Italian Navy supported the research). The measures are documented in his work "Penetrating radiation at the surface of and in water". Pacini discovered that the discharge of the oscilloscope was significantly slower than at the surface. Documents testify that Pacini and Hess knew of each other's work. Pacini died in 1934, two years before the Nobel Prize was awarded for the discovery of cosmic rays. While Hess is remembered as the discoverer of cosmic rays, the simultaneous discovery by Pacini is forgotten by most.

研究动机与目标

• 确定大气电离辐射的来源，特别是其是否源于地壳放射性或外部来源。
• 检验假设：存在一个显著的电离辐射组分，其独立于地壳中的放射性物质。
• 测量海面以上空气及水深处的电离水平，并与基于空气中和水中已知放射性的理论预测进行比较。
• 通过在海上进行受控实验，排除仪器误差或局部污染作为观测到电离现象的来源。
• 确立穿透辐射（后来被识别为宇宙射线）是大气电离的主要来源，且与土壤放射性无关。

提出的方法

• 使用一个厚1.5毫米的铜盒封装的验电器，测量海面以上空气及水深3米处的电离速率。
• 该装置设计用于排除β辐射并最小化二次电离，确保仅穿透辐射对放电速率有贡献。
• 在面积为4 m²的船上，在受控条件下进行测量，重复观测以确保一致性。
• 利用已知的镭γ辐射值（Q = 8×10⁻¹⁷ g/cm³）、吸收系数（λ = 4.4×10⁻⁵ cm⁻¹）和每克镭产生的离子数（K = 3.1×10⁹ ions/cm³/s），计算理论电离速率。
• 通过海水等效放射性（Q′ = 1.1×10⁻¹⁴ g/cm³）和吸收系数（λ′/ρ = 0.034），估算海水的电离贡献，理论预测值为0.006 ions/cm³。
• 将大气放射性和容器壁产生的二次辐射贡献合并，并调整20%以估算总背景电离，再与实测值进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 海面以上观测到的电离现象是源于地壳放射性，还是与土壤放射性无关的外部来源？
• RQ2 海面及水深处测得的电离速率能否由已知的大气和海水放射性核素产生的γ辐射解释？
• RQ3 当装置浸入水中后电离速率仍保持高位，是否表明存在一种无法归因于局部放射性的穿透辐射源？
• RQ4 观测到的电离是否可能由污染或仪器误差（如电子发射或金属活性）引起？
• RQ5 大气放射性和二次辐射对总电离的贡献是多少？与实测值相比如何？

主要发现

• 在海面使用验电器测得的平均电离速率为每秒8.9个离子，最低值为每秒4.7个，显著高于理论预测值。
• 在扣除最低电离值（假设为残余值）并考虑二次辐射后，实测穿透辐射贡献的电离速率为每秒3.4个离子/cm³。
• 基于大气和海水放射性的理论计算仅预测每秒0.1个离子/cm³，表明存在大量未解释的电离成分。
• 观测值与预测值之间的差异无法用仪器误差、污染或β辐射解释，因为铜屏蔽已排除这些因素。
• 结果强烈支持大气中存在一种独立于地壳放射性的穿透辐射源，后来被识别为宇宙射线。
• 帕奇纳得出结论：大气中存在一个显著的电离辐射源，其来源于穿透辐射，且与土壤中放射性物质无直接关联。