宇宙線化學
正文
空間化學的分支學科。它研究宇宙線的化學組成、通量、能譜及其時空分布，以及宇宙線與隕石等靶核物質相互作用引起的核反應機制和核反應產物（宇宙成因核素）的特性。宇宙線組成 宇宙線是來自宇宙空間的各種高能粒子流。通常稱地球大氣層外的宇宙線為初級宇宙線。宇宙線的主要成分是質子(氫原子核),其次是α粒子（氦原子核）,還有少量其他較重元素的原子核,以及電子、中微子和高能光子（X射線和γ射線）。
初級宇宙線與大氣的原子核相互作用產生次級粒子流,稱為次級宇宙線。由於大氣中宇宙線的級聯簇射,而使得宇宙線的成分隨離地面的高度而變化。宇宙線的主要成分，在17公里以上的大氣表層中是核子，在高度為5～17公里的大氣層中是正、負電子和光子，在5公里以下直至地下，是次級粒子衰變過程所產生的高能μ介子。
宇宙線源的化學組成，如表1。它是太陽系中的觀測值經過一定的傳播（主要是恆星際傳播）改正後的數值。 根據宇宙成因核素的研究，認為宇宙線的通量、能譜、組成，在近百萬年來是基本恆定的（見宇宙線）。
宇宙成因核素 宇宙物質（如隕石、宇宙塵以及無大氣的天體表面物質）在宇宙空間漫長的運行過程中，直接受到宇宙線的照射，於是在這些物質內產生各種類型的高能核反應（主要是散裂反應）和低能核反應（主要是中子俘獲反應），形成各種穩定的和放射性的同位素。這些同位素稱為宇宙線生成核素，或簡稱宇宙成因核素。
一種宇宙成因核素可由多種核反應生成。如：26Al，主要由初級質子（p）和次級中子(n)與靶核元素Al、S、Si、Mg、Ca和Fe等相互作用生成，生成核反應主要有27Al(p，pn)26Al，27Al(n，2n)26Al，28Si(p，2pn)26Al，26Mg(p，n)26Al，56Fe(p，14p17n)26Al等；54Mn，主要由宇宙線與鐵原子核相互作用生成，主要生成反應為 56Fe(p，2pn)54Mn，56Fe(n，p2n)54Mn和54Fe(n，p)54Mn等。
宇宙成因核素通常用低本底γ或β放射性計數裝置探測,但53Mn常用高通量反應堆中子活化、放射化學分離濃縮和低本底γ譜儀探測相結合的方法進行測定。穩定稀有氣體同位素用真空系統提取、純化，再用質譜儀進行測量。宇宙塵中極微量的宇宙成因核素採用高靈敏度的加速器質譜技術測定。
宇宙成因核素有100多種。在阿魯斯鐵隕石和布魯德海姆石隕石中都測出了約40種宇宙成因核素。10Be、22Na、26Al、36Cl、53Mn、54Mn、60Co、3He、21Ne、38Ar等宇宙成因核素對於確定隕石和月球表面的宇宙線暴露年齡，測定隕石和月球表面的宇宙線深度效應，對了解宇宙體中由於宇宙線效應引起的同位素組成變化有重要價值。
宇宙體中宇宙成因核素的產額及其分布，與宇宙線的組成、能量、能譜及其時空變化有關，也與宇宙體的化學成分、宇宙體的大小、暴露年齡、運動軌道和樣品的深度位置，以及形成該核素的核反應類型，核反應截面等特性相關。宇宙體中宇宙成因核素的產率和分布可用如下方法獲得：①隕石和月球表面的鑽孔樣品和宇宙塵樣品中宇宙成因核素的測定；②高能質子轟擊模擬實驗樣品中宇宙成因核素的測定；③依據靶核物質的化學組成，宇宙線的能譜、通量以及形成宇宙成因核素的反應截面和樣品的深度，用核物理方法計算。
深度效應 隕石和月球樣品中，宇宙成因核素的產率隨樣品深度發生變化的現象稱為“深度效應”。深度效應也稱為禁止效應。由於宇宙線通過宇宙物質時，發生相互作用，引起宇宙線的通量和能譜隨深度發生變化，同時產生次級粒子（質子和中子），結果導致宇宙成因核素的產率隨深度發生變化。宇宙線在天然物質中的平均穿透深度約為1米。深度效應與宇宙體的大小有關,也與宇宙成因核素的種類相關。宇宙塵沒有深度效應，小隕石的深度效應小於同類型的大隕石，吉林隕石的深度效應略小於月球。由初級高能粒子（主要是質子）生成的宇宙成因核素，其含量（產率）在吉林隕石的表面區域較低，在距表面20～30厘米處出現峰值，然後直到中心部位隨深度增加而逐漸減少。由次生中子與 59Co通過(n,r)反應生成的宇宙成因核素60Co，呈現出很不相同的深度效應:60Co含量從吉林隕石表面到中心部位隨深度遞增，對於半徑為50～100厘米的其他球粒隕石，60Co含量顯示同樣的深度效應。
通過對隕石不同深度位置樣品宇宙成因核素的測定及對其深度分布規律的研究，可以了解隕石體對宇宙線的禁止作用，識別初級高能粒子與次生低能粒子所產生的核反應特徵，恢復不同部位樣品在進入大氣層之前的隕石中的相對位置，推知該隕星的初始輪廓和在大氣層中爆裂的過程。
月球樣品中宇宙成因核素10Be、22Na、21Ne、 53Mn、和60Co等也具有明顯的深度效應。在月岩表面(1厘米深)和月壤中，太陽質子產生的宇宙成因核素要比銀河質子產率高10～20倍，因此月表樣品是研究太陽宇宙線歷史最靈敏的指示器。在具有一定禁止深度(≥ 8厘米)的月岩樣品中，宇宙成因核素一般都為銀河宇宙線產物，其含量取決於岩石化學組成和深度等因素。
軌道效應 在整個太陽系空間，宇宙線輻射場是不均勻的。銀河宇宙線的通量隨離太陽的距離而變化，即要受到太陽磁場的調製，使得隕石因運行軌道不同，宇宙成因核素含量有差異，即所謂“軌道效應”。宇宙成因核素軌道效應的研究，提供了一種由宇宙成因核素估算隕石運行軌道的半經驗方法。如由測定的宇宙成因核素 26Al的含量可估算隕石在有效調製區的運行時間與在整個軌道上運行時間的比例，根據已確知軌道參數的隕石導出軌道參數遠日距的半經驗公式，可求出該隕石運行軌道的遠日距，並推測該隕石可能的來源區域。
同位素組成的變異 由於宇宙成因核素的形成可導致隕石中一些元素的同位素組成發生變異。從表2列出的隕石和地球大氣層中同位素組成的對比可看出,隕石中3He/4He和21Ne/22Ne分別比地球大氣層的比值平均高約20萬倍和35倍，而隕石中20Ne/22Ne和36Ar/38Ar比值比大氣層比值低,這表明宇宙成因核素3He、21Ne、22Ne、38Ar在隕石中有較高的產率。此外，鐵隕石中的41K/40K和 51V/50V分別為大氣層比值的0.2～0.5和0.125～0.33倍,說明宇宙成因核素40K和50V在隕石中也是較富集的。 暴露年齡 隕石從母體分裂出來作為獨立個體在行星際空間運行的時間，也是它在宇宙線中暴露的時間即輻照時間（見宇宙線暴露年齡）。
隕石落地年齡 套用宇宙成因核素法，可計算出隕落年代不明的隕石是什麼年代落到地球上來的（見落地年齡）。
核徑跡 是宇宙線在月球和隕石礦物中產生的輻射損傷效應。近年來，已把測量宇宙線在隕石礦物中形成核徑跡的密度和分析徑跡類型，作為測定宇宙線能譜和計算重粒子組（原子序數Z>22）通量的重要手段。徑跡研究還提出了近2×107年以來宇宙線通量基本恆定的結論。徑跡密度隨樣品深度變化的規律，已廣泛運用於計算隕石在進入大氣前的質量和大小，從而求出隕石通過大氣層時的燒蝕質量，這對探討人工飛行器重返大氣層的燒蝕量有參考意義（見宇宙線重核效應）。
參考書目
Z.Ouyang and X.Zhou,Proc.of 16th InternationalCosmic Ray Conference.Vol.1～2,Kyoto,1979.
