Kozmik ışın

Kozmik ışınlar, temelde Güneş Sistemi'nden^[1] yıldızlardan hatta uzak galaksilerden kaynaklanan, yüksek enerjili bir parçacık yağmurudur.^[2] Bu ışınlar Dünya atmosferi ile etkileştiğinde, bazen yüzeye ulaşan ikincil kozmik ışın duşlarını üretebilir. Öncelikle yüksek enerjili protonlardan ve atom çekirdeğinden oluşan bu ışınlar güneş veya güneş sistemimizin dışından kaynaklanır. Fermi Uzay Teleskobu'ndan (2013) elde edilen veriler, birincil kozmik ışınların önemli bir bölümünün yıldızların süpernova patlamalarından kaynaklandığının kanıtı olarak yorumlanmıştır.

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 insanı 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 Ödülü'nü aldı.

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

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 yeryüzüne 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, ayrıca kısa yarı ömre sahip olan müon, pion ve kaon gibi bazı parçacıklara da rastlanır.

Kozmik ışınlar Dünya'ya uzayın her yönünden gelirler. Fakat elektriksel bakımdan yüklü olduklarından, Dünya manyetik alanının etkisi altında kalırlar. Bunun sonucu olarak kozmik ışınlar manyetik kutup bölgelerinde başka bölgelere göre daha yoğundurlar. Kutup bölgelerindeki kutup fecri ya da kutup ışıkları denilen olay kutup bölgelerinde yoğunlaşan kozmik ışınlardan meydana gelir.

• 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 yeryüzünde 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 deyişle 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 yeryüzünde bozunmaktadır. Bu sebeple C 14 ten arkeolojik tarihlendirmede yararlanılmaktadır. (Yarı ömür (Bozunum))