宇宙线化学

宇宙线化学（ chemistry of cosmic rays ），空间化学的分支学科。它研究宇宙线的化学组成、通量、能谱及其时空分布，以及宇宙线与陨石等靶核物质相互作用引起的核反应机制和核反应产物（宇宙成因核素）的特性。

宇宙线组成

宇宙线是来自宇宙空间的各种高能粒子流。通常称地球大气层外的宇宙线为初级宇宙线。宇宙线的主要成分是质子(氢原子核)，其次是α粒子（氦原子核），还有少量其他较重元素的原子核，以及电子、中微子和高能光子（X射线和γ射线）。

初级宇宙线与大气的原子核相互作用产生次级粒子流，称为次级宇宙线。由于大气中宇宙线的级联簇射，而使得宇宙线的成分随离地面的高度而变化。宇宙线的主要成分，在17公里以上的大气表层中是核子，在高度为5～17公里的大气层中是正、负电子和光子，在5公里以下直至地下，是次级粒子衰变过程所产生的高能μ介子。

宇宙线源的化学组成，如表1。它是太阳系中的观测值经过一定的传播（主要是恒星际传播）改正后的数值。

表1　宇宙线源的化学组成

根据宇宙成因核素的研究，认为宇宙线的通量、能谱、组成，在近百万年来是基本恒定的（见宇宙线）。

宇宙成因核素

宇宙物质（如陨石、宇宙尘以及无大气的天体表面物质）在宇宙空间漫长的运行过程中，直接受到宇宙线的照射，于是在这些物质内产生各种类型的高能核反应（主要是散裂反应）和低能核反应（主要是中子俘获反应），形成各种稳定的和放射性的同位素。这些同位素称为宇宙线生成核素，或简称宇宙成因核素。

一种宇宙成因核素可由多种核反应生成。如：26Al，主要由初级质子（p）和次级中子(n)与靶核元素Al、S、Si、Mg、Ca和Fe等相互作用生成，生成核反应主要有27Al(p，pn)26Al，27Al(n，2n)26Al，28Si(p，2pn)26Al，26Mg(p，n)26Al，56Fe(p，14p17n)26Al等；54Mn，主要由宇宙线与铁原子核相互作用生成，主要生成反应为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放射性计数装置探测，但53Mn常用高通量反应堆中子活化、放射化学分离浓缩和低本底γ谱仪探测相结合的方法进行测定。稳定稀有气体同位素用真空系统提取、纯化，再用质谱仪进行测量。宇宙尘中极微量的宇宙成因核素采用高灵敏度的加速器质谱技术测定。

宇宙成因核素有100多种。在阿鲁斯铁陨石和布鲁德海姆石陨石中都测出了约40种宇宙成因核素。10Be、22Na、26Al、36Cl、53Mn、54Mn、60Co、3He、21Ne、38Ar等宇宙成因核素对于确定陨石和月球表面的宇宙线暴露年龄，测定陨石和月球表面的宇宙线深度效应，对了解宇宙体中由于宇宙线效应引起的同位素组成变化有重要价值。

宇宙体中宇宙成因核素的产额及其分布，与宇宙线的组成、能量、能谱及其时空变化有关，也与宇宙体的化学成分、宇宙体的大小、暴露年龄、运动轨道和样品的深度位置，以及形成该核素的核反应类型，核反应截面等特性相关。宇宙体中宇宙成因核素的产率和分布可用如下方法获得：①陨石和月球表面的钻孔样品和宇宙尘样品中宇宙成因核素的测定；②高能质子轰击模拟实验样品中宇宙成因核素的测定；③依据靶核物质的化学组成，宇宙线的能谱、通量以及形成宇宙成因核素的反应截面和样品的深度，用核物理方法计算。

深度效应

陨石和月球样品中，宇宙成因核素的产率随样品深度发生变化的现象称为“深度效应”。深度效应也称为屏蔽效应。由于宇宙线通过宇宙物质时，发生相互作用，引起宇宙线的通量和能谱随深度发生变化，同时产生次级粒子（质子和中子），结果导致宇宙成因核素的产率随深度发生变化。宇宙线在天然物质中的平均穿透深度约为1米。深度效应与宇宙体的大小有关，也与宇宙成因核素的种类相关。宇宙尘没有深度效应，小陨石的深度效应小于同类型的大陨石，吉林陨石的深度效应略小于月球。由初级高能粒子（主要是质子）生成的宇宙成因核素，其含量（产率）在吉林陨石的表面区域较低，在距表面20～30厘米处出现峰值，然后直到中心部位随深度增加而逐渐减少。由次生中子与59Co通过(n，r)反应生成的宇宙成因核素60Co，呈现出很不相同的深度效应：60Co含量从吉林陨石表面到中心部位随深度递增，对于半径为50～100厘米的其他球粒陨石，60Co含量显示同样的深度效应。

通过对陨石不同深度位置样品宇宙成因核素的测定及对其深度分布规律的研究，可以了解陨石体对宇宙线的屏蔽作用，识别初级高能粒子与次生低能粒子所产生的核反应特征，恢复不同部位样品在进入大气层之前的陨石中的相对位置，推知该陨星的初始轮廓和在大气层中爆裂的过程。

月球样品中宇宙成因核素10Be、22Na、21Ne、53Mn、和60Co等也具有明显的深度效应。在月岩表面(1厘米深)和月壤中，太阳质子产生的宇宙成因核素要比银河质子产率高10～20倍，因此月表样品是研究太阳宇宙线历史最灵敏的指示器。在具有一定屏蔽深度(≥8厘米)的月岩样品中，宇宙成因核素一般都为银河宇宙线产物，其含量取决于岩石化学组成和深度等因素。

轨道效应

在整个太阳系空间，宇宙线辐射场是不均匀的。银河宇宙线的通量随离太阳的距离而变化，即要受到太阳磁场的调制，使得陨石因运行轨道不同，宇宙成因核素含量有差异，即所谓“轨道效应”。宇宙成因核素轨道效应的研究，提供了一种由宇宙成因核素估算陨石运行轨道的半经验方法。如由测定的宇宙成因核素26Al的含量可估算陨石在有效调制区的运行时间与在整个轨道上运行时间的比例，根据已确知轨道参数的陨石导出轨道参数远日距的半经验公式，可求出该陨石运行轨道的远日距，并推测该陨石可能的来源区域。

同位素组成的变异

由于宇宙成因核素的形成可导致陨石中一些元素的同位素组成发生变异。从表2列出的陨石和地球大气层中同位素组成的对比可看出，陨石中3He/4He和21Ne/22Ne分别比地球大气层的比值平均高约20万倍和35倍，而陨石中20Ne/22Ne和36Ar/38Ar比值比大气层比值低，这表明宇宙成因核素3He、21Ne、22Ne、38Ar在陨石中有较高的产率。此外，铁陨石中的41K/40K和51V/50V分别为大气层比值的0.2～0.5和0.125～0.33倍，说明宇宙成因核素40K和50V在陨石中也是较富集的。

表2　陨石和地球大气层中同位素组成的对比

暴露年龄

陨石从母体分裂出来作为独立个体在行星际空间运行的时间，也是它在宇宙线中暴露的时间即辐照时间（见宇宙线暴露年龄）。

陨石落地年龄

应用宇宙成因核素法，可计算出陨落年代不明的陨石是什么年代落到地球上来的（见落地年龄）。

核径迹

是宇宙线在月球和陨石矿物中产生的辐射损伤效应。近年来，已把测量宇宙线在陨石矿物中形成核径迹的密度和分析径迹类型，作为测定宇宙线能谱和计算重粒子组（原子序数Z>22）通量的重要手段。径迹研究还提出了近2×107年以来宇宙线通量基本恒定的结论。径迹密度随样品深度变化的规律，已广泛运用于计算陨石在进入大气前的质量和大小，从而求出陨石通过大气层时的烧蚀质量，这对探讨人工飞行器重返大气层的烧蚀量有参考意义（见宇宙线重核效应）。