Kozmik ışın

(Bu madde Dünya'ya ulaşan parçacıklarla ilgilidir. Evrenin genişlemesi ile ilgili ışınım için Kozmik mikrodalga arka plan ışıması maddesine bakınız.)

Uzaydan sürekli olarak Dünya atmosferine giren ve çoğu kez yeryüzüne kadar ulaşan çeşitli atomaltı parçacıklar. Bu parçacıklar proton veya helyum çekirdeği gibi parçacıklardır. Bu parçacıkların ışın olarak nitelendirilmesi doğru değildir. Ancak bu isim parçacıkların niteliği anlaşılmadan önce kullanıma girmiş ve bilimsel dile yerleşmiştir.

Tarihçe

Dünya atmosferinde küçük ölçüde de olsa iyonizasyon saptanmaktadır. Henri Becquerel'in (1852-1908) radyoaktiviteyi keşfetmesinden sonra, bu iyonizasyondan radyoaktif elementler, özellikle radon gazı sorumlu tutuluyordu. Ancak, kimi bilim insanları bu açıklamadan tatmin olmuyorlardı. Çünkü 20. yüzyılın başlarındaki sınırlı olanaklarla deneyler yapılıyor ve atmosferdeki radyoaktivitenin yükseklikle arttığı ölçülüyordu. Oysa, şayet radyoaktivite Dünya kabuğundaki elementlerden kaynaklansaydı, yükseklerde radyoaktivitenin azalması gerekirdi. Öte yandan, atom ağırlığı 222 olan radon bütün gazların en ağırıydı ve atmosferin yüksek kesimlerinde derişimi alt kesimlere göre çok daha az olmalıydı.

Avusturyalı bilim adamı Victor Francis Hess (1883-1965) 1912 yılında balonla 5300 metre yükseklikte radyoaktivite ölçtü ve bu rakımda radyoaktivitenin deniz seviyesine göre 2 defa daha fazla olduğunu keşfetti. Bu ölçüm için Hess ölçüm cihazlarını geliştirmiş, ölçüm sırasında ise, o günkü teknolojinin imkânları içerisinde, yaşamını tehlikeye atmıştı. Hess böylece atmosferdeki iyonizasyondan Dünya’daki radyoaktif elementlerin sorumlu olmadığını buldu. Üstelik, Hess deneyini Güneş tutulması sırasında da tekrarlayarak, iyonizasyondan Güneş’in de sorumlu olmadığını buldu. Hess bu buluşuyla 1936 yılında Nobel fizik ödülünü aldı.

İyonizasyona sebep olan etkinin uzay kaynaklı olduğu Amerikalı ünlü bilim adımı Robert Andrews Millikan (1868-1953) tarafından da teyit edildi. Zaten bu etkiye kozmik ışın adını veren de Millikan'dır.

Kozmik ışınların niteliği

Kozmik ışınların uzayda hangi koşullarda oluştuğu tam olarak anlaşılamamıştır. Bilinen bu ışınların yüklü parçacıklardan oluştuğu ve Dünya üzerinde elde edilemeyecek çok yüksek enerjilere sahip olduğudur. Bu güne kadar ölçülen en yüksek enerji tek bir parçacık için 3•10²⁰ ev dir. (Yani yaklaşık 50 J.) Gerçi, Güneş kaynaklı kozmik ışınlar da vardır. Ama Güneş kaynaklı ışınlar bu denli yüksek enerjilere çıkamamaktadırlar.

Kozmik ışınlar iki sınıfta incelenmektedir. Birincil kozmik ışınlar doğrudan yer yüzüne ulaşan çok yüksek enerjili kozmik ışınlardır. Ancak kimi kez kozmik ışın atmosferden geçerken atmosferdeki gaz atomlarıyla çarpışmaktadır. Bu durumda parçacık reaksiyona girerek başka parçacık haline gelmektedir. Bu durumda yere ulaşan kozmik ışınlara ise ikincil kozmik ışın denilmektedir. İkincil kozmik ışınların enerjileri daha düşüktür.

Birincil kozmik ışınlar genellikle hidrojen veya helyum çekirdeklerinden oluşur. Hidrojen çekirdeği yani proton kozmik ışınların % 90 ını, helyum çekirdeği, yani alfa parçacığı (α) ise % 9 unu meydana getirir. Bütün diğer çekirdekler ve elektronlar ise geri kalan % 1 in içindedir. (Buradaki oranlar sayı oranlarıdır.) Bu oranlar genellikle yıldız yüzeylerinde gözlemlenen element bolluklarına denktir.

Buna karşılık, ikincil kozmik ışınlarda farklı bir dağılım vardır ve ikincil kozmik ışınlarda lityum, berilyum ve bor gibi doğada az bulunan bazı atom çekirdeklerine de rastlanır. Yine ikincil ışınlarda kısa yarı ömre sahip olup, bir arada mezon adı verilen bazı parçacıklara da rastlanır. (muon, pion, kaon.)

Kozmik ışınlarda yön seçimi

Kozmik ışınlar Dünya’ya uzayın her yönünden gelirler. Fakat elektriksel bakımdan yüklü olduklarından, Dünya manyetik alanının etkisi altında kalırlar. Bunun sonucu kozmik ışınların manyetik kutup bölgelerinde daha yoğun olmasıdır. Kutup bölgelerindeki kutup fecri ya da kutup ışıkları denilen olay kutup bölgelerinde yoğunlaşan kozmik ışınlardan meydana gelir.

Kozmik ışınlar ve bilimsel araştırmalar

• 1936 yılında muon ve 1947 yılında pion kozmik ışın içinde saptanmışlardır. (O tarihlerde henüz parçacık hızlandırıcılar pion ya da muon elde edecek kadar güçlü değillerdi)
• Bazı atom altı parçacıkların yarı ömürleri çok kısadır. İkincil kozmik ışın olarak üreyen bu parçacıkların oluştukları yükseklikten yeryüzüne ulaşıncaya kadar bozunuma uğramaları beklenir. Oysa, durum böyle değildir ve bu parçacıklar yer yüzünde rahatlıkla saptanabilmektedirler. Bu durum Albert Einstein’in (1879-1955) özel görecelik yasasının bir sonucudur. Çok yüksek hızla hareket eden parçacıkta zaman Dünya ölçülerine göre yavaşlamaktadır. Bir başka değişle kozmik ışınların incelenmesi özel görecelik yasasının kanıtlarından birini vermektedir.
• Birincil kozmik ışınlar atmosferdeki nitrojen atomlarına çarparak karbon elementinin az bulunur C 14 izotopunu üretmektedirler.

${\displaystyle n+\mathrm {N} ^{14}\rightarrow p+\mathrm {C} ^{14}}$

Radyo aktif olan bu gaz atmosferdeki karbon diyoksit içerisinde eser miktarda mevcuttur. Ama yer yüzünde bozunmaktadır. Bu sebeple C 14 ten arkeolojik tarihlendirmede yararlanılmaktadır. (Yarı ömür (Bozunum))