Đề tài Các nguồn phóng xạ tự nhiên

Bộ Giáo dục và Đào tạo Trường Đại học Sư phạm Tp.HCM TIỂU LUẬN VẬT LÝ Đề Tài: Tp. Hồ Chí Minh 2010 MỤC LỤC I. Phân bố các nguồn phóng xạ tự nhiên: 2 I.1. Các nhân phóng xạ trong vỏ trái đất 2 I.2. Các tia vũ trụ: 9 I.2.1. Các tia vũ trụ sơ cấp: 10 I.2.2. Tia vũ trụ thứ cấp: 12 I.3. Các nhân phóng xạ tự nhiên có trong các vật liệu xây dựng nhà ở 14 I.4. Các nhân phóng xạ có trong nước biển 15 I.5. Phóng xạ trong thực phẩm: 15 I.6. Các nhân phóng xạ có trong cơ thể người: 16 II. Sự phân bố phóng xạ trong thạch quyển và địa quyển: 16 II.1. Đá kết tinh: 16 II.2. Đá trầm tích: 17 II.3. Đá phiến sét ( diệp thạch) giàu hữu cơ và than đá: 18 II.4. Sa thạch ( đá cát kết): 19 II.5. Đá carbonate: 19 II.6. Đá phosphor: 20 III. Những vùng có phông phóng xạ tự nhiên cao trên thế giới 21 Nguồn phóng xạ được chia thành hai loại, gồm nguồn phóng xạ tự nhiên (natural radioactive source) và nguồn phóng xạ nhân tạo (artificial radioactive source). Nguồn phóng xạ tự nhiên, mà người ta thường gọi là phông phóng xạ tự nhiên, là các chất đồng vị phóng xạ có mặt trên trái đất, trong nước và trong bầu khí quyển. Còn nguồn phóng xạ nhân tạo do người chế tạo ra bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc. Phân bố các nguồn phóng xạ tự nhiên: Các nhân phóng xạ trong vỏ trái đất Phông phóng xạ trên trái đất gồm các nhân phóng xạ tồn tại cả trước và khi trái đất được hình thành. Năm 1896 nhà bác học người Pháp Becquerel phát hiện ra chất phóng xạ tự nhiên, đó là uranium và con cháu của nó. Đến nay người ta biết các chất phóng xạ trên trái đất gồm các nguyên tố uranium, thorium và con cháu của chúng, cùng một số nguyên tố phóng xạ khác. Uranium, thorium và con cháu của chúng tạo nên 3 họ phóng xạ cơ bản là họ thorium (Th232), uranium (U238) và actinium (U235) (các bảng 3.1,3.3 và 3.4 tương ứng). Tất cả các thành viên của các họ này, trừ thành viên cuối cùng đều là các đồng vị phóng xạ. Uranium gồm 3 đồng vị khác nhau: khoảng 99,3% uranium thiên nhiên là U238, khoảng 0,7% là U235 và khoảng 5.10-3% là U234. U238 và U234 thuộc cùng một họ, gọi là họ uranium, còn U235 là thành viên đầu tiên của một họ khác, gọi là actinium. Th232 là thành viên đầu tiên của họ thorium. Họ phóng xạ thứ tư là họ phóng xạ nhân tạo, được gọi là học neptunium (bảng 3.2). Ba họ phóng xạ tự nhiên có đặc điểm chung là thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu, với thời gian bán rã được đo theo các đơn vị địa chất. Lý do dễ hiểu vì nếu xét thời gian từ khi vũ trụ hình thành thì các đồng vị sống tương đối ngắn bị phân rã trong một vài tỉ năm tồn tại của trái đất. Điều này được minh họa bằng họ phóng xạ nhân tạo neptunium, trong đó thành viên thứ nhất là nguyên tố siêu uranium Pu241, được sinh ra khi chiếu Pu239 trong trường neutron. Thời gian bán rã của Pu341 là 13 năm, do đó một thế kỷ cũng đủ để đồng vị này rã hết. Ngay cả thành viên sống dài nhất, là Np237 với thời gian bán rã 2,2.106 năm, cũng là đủ ngắn để nó phân rã hết nếu nó được sinh ra cùng thời với các nguyên tố khác của trái đất. Đặc điểm chung thứ hai của ba họ phóng xạ tự nhiên là mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của nguyên tố radon. Trong trường hợp họ uranium, khí 86Rn222 được gọi là radon, trong họ thorium, khí 86Rn220 được gọi là thoron, còn trong họ actinium khí 86Rn219 được gọi là actinon. Chú ý rằng trong họ phóng xạ nhân tạo neptunium không có thành viên khí phóng xạ . Sự có mặt của các khí phóng xạ trong ba họ phóng xạ tự nhiên là một trong các lý do chính gây nên phông phóng xạ tự nhiên của môi trường. Trong ba loại khí phóng xạ thì radon đóng vai trò quan trọng nhất vì nó có thời gian bán rã 3,825 ngày lớn hơn nhiều so với thời gian bán rã của thoron (52s) và actinon (3,92s). khí radon khuếch tán từ trái đất vào không khí và các con cháu radon phóng xạ, thường ở dạng rắn trong các điều kiện thông thường, bám vào các hạt bụi khí quyển. Đứng về phương diện an toàn bức xạ, sự chiếu ngoài cùa radon và con cháu nó lên người không tác hại bằng sự chiếu trong cơ thể khi con người hít thở bụi có các nhân phóng xạ bám vào vì chúng là các nhân phát hạt alpha. Hàm lượng radon trong không khí phụ thuộc vào hàm lượng uranium trong đất, do đó ở các vùng mỏ quặng uranium cần phải lưu ý ành hưởng của bụi khí phóng xạ lên sức khỏe con người. Ngoài ra, trong điều kiện tự nhiên hàm lượng radon trong nhà cao hơn ngoài trời vài ba lần, do đó cần kiểm tra liều bức xạ trong nhà do radon gây ra. Hạt nhân  Thời gian bán rã  Năng lượng(MeV)     Alphaa  Beta  Gammab   90 Th 232  1,39.1010 năm  3,98     88 Ra 228 (MsTh1)  6,7 năm   0,01    89 Ac 228 (MsTh2)  6,13 h   Sơ đồ phân rã phức tạpNhóm beta cường độ cao nhất là 1,11 MeV  1,59(0,03)0,966(0,2)0,908(0,25)   90 Th 228 (RdTh)  1,91 năm  5,421     88 Ra 224 (ThX)  3,64 ngày  5,681   0,084 (0,016)   36 Rn 220 (Tn)  52 s  6,278   0,241 (0,038)   84 Po 216 (ThA)  0,158 s  6,774   0,542 (0,0002)   82 Pb 212 (ThB)  10,64 h   0,35; 0,59  0,239 (0,40)   83 Bi 212 (ThC)  60,5 phút  6,086(33,7%)c  2,25 (66,3%)c  0,04 nhánh 0,034)   84 Po 212 (ThC’)  3,04.10-7 s  8,776     81 Tl 208 (ThC”)  3,1 phút   1,80; 1,29; 1,52  2,615 (0,997)   82 Pb 208 (ThD)  Bền      Chú thích: a. Chỉ ghi hạt alpha năng lượng cao nhất; b. Chỉ ghi các tia gamma chính nhất; c. Số phần trăm trong các dấu ngoặc đơn cho biết phần phân rã theo loại được chỉ dẫn. Bảng 3.2: Họ neptunium (4n + 1)a Hạt nhân  Thời gian bán rã  Năng lượng(MeV)     Alphab  Beta  Gammac   94 Th 228  13,2 năm   0,02    95 Am 241  462 năm  5,496   0,060 (0,4)   93 Np 237  2,2.106 năm  4,77     91 Pa 233  27,4 ngày   0,26; 0,15; 0,57  0,31 (rất mạnh)   92 U 233  1,62.105 năm  4,823   0,09 (0,02) 0,056 (0,02) 0,042 (0,15)   90 Th 229  7,34.103 năm  5,02     90 Ra 225  14,8 ngày   0,32    89 Ac 225  10,0 ngày  5,80     89 Fr 221  4,8 phút  6,30   0,216 (1)   85 At 217  0,018 s  7,02     83 Bi 213  47 phút  5,86 (2%)d  1,39 (98%)d    84 Po 213  4,2.10-6 s  8,336     81 Tl 209  2,2 phút   2,3  0,12 (yếu)e   82 Pb 209  3,32 h   0,635    83 Bi 209  Bền      Chú thích: a. Họ này không tồn tại trong tự nhiên mà được sản xuất nhân tạo; b. Chỉ ghi hạt alpha năng lượng cao nhất; c. Chỉ ghi các tia gamma chính nhất; d. Số phần trăm trong các dấu ngoặc đơn cho biết phần phân rã theo loại được chỉ dẫn; e. Không biết cường độ chính xác. Bảng 3.3: Họ uranium (4n + 2) Hạt nhân  Thời gian bán rã  Năng lượng(MeV)     Alphaa  Beta  Gammab   92 U 238  4,51 năm  4,18     90 Th 234 (UX2)  24,10 ngày   0,193; 0,103  0,092 (0,04) 0,063 (0,03)   91 Pa 234m (UX2)  1,175 phút   2,31  1,0 (0,015) 0,76 (0,0063) Biến đổi nội   91 Pa 234 (UZ)  6,66 h   0,5  Rất yếu   92 U 234 (UII)  2,48.105 năm  4,763     90 Th 230 (Io)  8,0.104 năm  4,685   0,068 ( 0,0059)   88 Ra 226  1.622 năm  4,777     86 Rn 222 (Rn)  3,825 ngày  5,486   0,51 (rất yếu)   84 Po 218 (RaA)  3,05 phút  5,998 (99,978%)c  Không biết năng lượng (0,022%)c  0,186 (0,030)   85 At 218 (RaA’)  2 s  6,63 (99,9%)c  Không biết năng lượng (0,1%)c    86 Rn 218 (RaA”)  0,019 s  7,127     82 Pb 214 (RaA”)  26,8 phút   0,65  0,352 (0,036) 0,295 (0,020) 0,242 (0,07)   83 Bi 214 (RaC)  19,7 phút  5,505 (0,04%)c  1,65; 3,7 (99,96%)c  0,609 (0,295) 1,12 (0,131)   84 Po 214 (RaC’)  1,64.10-4 s  7,680     81 Tl 210 (RaC”)  1,32 phút   1,96  2,31 (1) 0,783 (1) 0,297 (1)   82 Pb 210 (RaD)  19,4 năm   0,0017  0,0467 (0,045)   83 Bi 210 (RaE)  5,00 ngày   1,17    84 Po 210 (RaF)  138,40 ngày  5,298   0,802 (0,000012)   82 Pb 206 (RaG)  Bền      Chú thích: a. Chỉ ghi hạt alpha năng lượng cao nhất; b. Chỉ ghi các tia gamma chính nhất; c. Số phần trăm trong các dấu ngoặc đơn cho biết phần phân rã theo loại được chỉ dẫn. Đặc điểm thứ ba của ba họ phóng xạ tự nhiên là sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ đều là chì: Pb206 trong họ uranium, Pb207 trong họ actinium và Pb208 trong họ thorium.Trong khi đó thành viên cuối củng trong họ neptunium là Bi209. Bốn họ phóng xạ nêu trên thường được ký hiệu là các họ 4n, 4n+1, 4n+2 và 4n+3, do phép chia cho 4 còn dư của số khối lượng các thành viên của chúng. Họ thorium bắt đầu bằng đồng vị Th232, có số khối lượng A=232, được chia tròn cho 4. Do các phân rã trong họ này đều thực hiện bằng cách phóng các hạt alpha, có số khối lượng bằng 4 hoặc các hạt beta có số khối lượng bằng 0 nên số khối lượng của tất cả các thành viên trong họ thorium cũng chia hết cho 4. Do đó họ thorium gọi là họ 4n. Cũng lập luận tương tự, họ uranium gọi là họ 4n+2 do số khối lượng của U238 và các con cháu của nó chia cho 4 còn dư 2, và họ actinium là họ 4n+3 do số khối lượng của U235 va các con cháu của nó chia cho 4 còn dư 3. Một họ còn thiếu đó là họ neptunium, gọi là họ 4n+1, có số khối lượng của Pu241 và các con cháu của nó chia cho 4 còn dư 1. Bảng 3.4: họ actinium (4n+3) Hạt nhân  Thời gian bán rã  Năng lượng (MeV)     Alphaa  Belta  Gammab   92U235  7,13.108 năm  4,39   0,18(0.7)   90Th 231  25,64 h   0,094; 0,302; 0,216  0,022 (0,7) 0,0085 (0,4) 0,061 (0,16)   91Pa231  3,43.104 năm  5,049   0,33 (0,05) 0,027 (0,05) 0,012 (0,01)   89Ac227  21,8 năm  4,94 (1,2%)a  0,0455 (98,8%)c    90Th 227 (RdAc)  18,4 ngày  6,03   0,24 (0,2) 0,05 (0,15)   87Fr223 (AcK)  21 phút   1,15  0,05 (0,40) 0,08 (0,24)   88Ra223 (AcX)  11,68 ngày  5,750   0,270 (0,10) 0,155 (0,055)   86Rn219 (An)  3,92s  6,824   0,267 ( 0,086) 0,392 (0,048)   84Po215  1,83.10-3s  7,635     82Pb211  36,1 phút   1,14; 0,5  Phổ phức tạp, 0,065 đến 0,829 MeV   83Bi211 (AcC)  2,16 phút  6,619 (99,68%)c  Không biết năng lượng (0,32%)c  0,35 (0,14)   84Po211 (AcC’)  0,52 s  7,434   0,88 (0,005) 0,56 (0,005)   81TI207 (AcC’’)  4,78 phút   1,47  0,87 ( 0,005)   82Pb207  Bền      Chú thích: a. Chỉ ghi hạt alpha năng lượng cao nhất; b. Chỉ ghi các tia gamma chính nhất; c. Số phần trăm trong các dấu ngoặc đơn cho biết phần phân rã theo loại được chỉ dẫn. Ngoài các đồng vị phóng xạ trong ba họ thorium, uranium và actinium, trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp. Các đồng vị phóng xạ quan trọng nhất được dẫn ra trong bảng 3.5. Bảng 3.5 Các đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp Hạt nhân  Độ giàu đồng vị (%)  Thời gian bán rã ( năm)  Các bức xạ chính      Các hạt (MeV)  Gamma   K40  0,0119  1,3.109  1,35  1,46 MeV   Rb87  27,85  5,0.1010  0,275  Không có   La138  0,089  1,1.1011  1,0  0,80; 1,43 MeV   Sm147  15,07  1,3.1011  2,18  Không có   Lu176  2,6  3,0.1010  0,43  0,20; 0,31 MeV   Re137  62,93  5,0.1010  0,043  Không có   Một trong các đồng vị phóng xạ tự nhiên là K40 , rất phổ biến trong môi trường (hàm lượng potassium trung bình trong đất đá là 27g/kg và trong đại dương khoảng 380mg/lít), trong thực vật, động vật, cơ thể con người (hàm lượng potassium trung bình trong cơ thể người vào khoảng 1,7g/kg). Đồng vị phóng xạ tự nhiên quan trọng khác là C14 với thời gian bán rã 5600 năm. Nó không phải là đồng vị “tự nhiên” như các đồng vị sống dài nêu trên mà là kết quả của biến đổi hạt nhân do các tia vũ trụ bắn phá hạt nhân N14. Trước khi xuất hiện bom hạt nhân, hàm lượng tổng cộng của C14 trong khí quyển vào khoảng 1,5.1011 MBq (4MCi), trong thực vật vào khoảng 4,8.1011 MBq (13MCi) và trong đại dương vào khoảng 9.1012 MBq (240 MCi). Việc thử nghiệm vũ khí hạt nhân làm tăng đáng kể hàm lượng C14. Tất cả các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân cho đến năm 1960 đã thải ra khí quyển khoảng 1,1.10 MBq (3MCi). Carbon phóng xạ tồn tại trong khí quyển dưới dạng khí C14O2 do đó chúng được các con vật hít vào và cây cối hấp thụ trong quá trình quang hợp. Vì chỉ có các thực vật còn sống mới hấp thụ C14 cùng với carbon không phóng xạ nên có thể xác định tuổi thực vật bằng cách đo hoạt độ riêng của carbon hiện tại. Nếu giả thiết rằng tốc độ sinh C14, cũng như nồng độ của nó trong không khí, không đổi trong suốt vài chục nghìn năm trở lại đây, thì có thể đánh giá được tuổi các mẫu khảo cổ vật liệu hữu cơ theo các số liệu đo hoạt độ riêng C14 của chúng Các tia vũ trụ: Các bức xạ proton, alpha, … năng lượng cao rơi vào khí quyển Trái Đất từ không gian bên ngoài gọi là các tia vũ trụ. Tia vũ trụ có năng lượng cỡ từ hàng chục MeV đến 1020 eV hay cao hơn. Trên đường đi đến mặt đất, tia vũ trụ xuyên qua lớp vật chất dày khoảng 103 g/cm2 của khí quyển và do tương tác với vật chất nên hình thành các bức xạ khác với tia vũ trụ nguyên thủy. Tia vũ trụ nguyên thủy gọi là tia vũ trụ sơ cấp còn bức xạ sinh ra do vũ trụ sơ cấp tương tác với bầu khí quyển gọi là tia vũ trụ thứ cấp. Các tia vũ trụ sơ cấp: Thành phần các tia vũ trụ sơ cấp: Các tia vũ trụ sơ cấp gồm hai thành phần là thành phần thiên hà, chúng được sinh ra từ các vật thể vũ trụ rất xa Trái Đất, và thành phần Mặt Trời, sinh ra từ các vụ nổ Mặt Trời. Thành phần thiên hà gồm 79% các proton năng lượng cao, 20% các hạt alpha và các hạt ion nặng hơn, phần còn lại là các electron, photon, neutron,… Thành phần Mặt Trời gồm các proton và hạt alpha với năng lượng tương đối thấp, vào khoảng
400 MeV và có cường độ rất lớn
106 – 107 hạt/cm2.s. Cũng có những trường hợp đặc biệt, chúng có năng lượng một vài GeV. Các tia vũ trụ sơ cấp đẳng hướng và không đổi theo thời gian với cường độ khoảng 2-4 hạt/cm2.s. Các tia vũ trụ sơ cấp được chia thành các nhóm như sau: Nhóm p gồm proton, deutron và triton; nhóm
gồm alpha và 2He3 ; nhóm các hạt nhân nhẹ gồm lithium, beryllium và boron (Z = 3-5); nhóm các hạt nhân trung bình gồm carbon, oxygen, nitrogen và flourine (Z = 6-9); nhóm các hạt nhân nặng gồm các hạt nhân với Z
10; nhóm các hạt nhân rất nặng gồm các hạt nhân với Z
20 và nhóm các hạt nhân siêu nặng gồm các hạt nhân với Z
30. Các tính chất của các nhóm tia vũ trụ sơ cấp được trình bày ở dưới đây: Thành phần hóa học của các tia vũ trụ sơ cấp. N/Nnặng là tỉ số giữa số hạt của nhóm xem xét so với số hạt của nhóm hạt nhân nặng. Hai cột cuối cùng ứng với các số liệu thực nghiện khác nhau. Nhóm hạt nhân  Z  N/Nnặng trong tia vũ trụ sơ cấp  Giá trị trung bình của N/Nnặng trong vũ trụ   p
Nhẹ Trung bình Nặng Rất nặng Siêu nặng  1 2 3-5 6-9 Z
10 Z
20 Z
30  650 47 1,0 3,3 1,0 0,26
0,3.10-4  3360 258 10-5 2,64 1 0,06 0,6.10-5  6830 1040 10-5 10,1 1 0,05   Từ bảng trên, ta thấy rằng các tia vũ trụ sơ cấp, cũng giống như tất cả vật chất nói chung, chủ yếu gồm các hạt proton và alpha, nhưng trong vật chất vũ trụ số hạt proton và alpha gấp 3600 đến 8000 lần lớn hơn số hạt nhân nặng, trong lúc tỉ số này đối với tia vũ trụ chỉ vào khoảng 700. Tuy nhiên, ngược lại, thành phần các hạt nhân rất nặng và đặc biệt các hạt nhân nhẹ trong tia vũ trụ lớn hơn rất nhiều so với trong vật chất vũ trụ. Ảnh hưởng của từ trường Trái Đất lên tia vũ trụ sơ cấp: Từ trường Trái Đất và từ trường trong không gian giữa các hành tinh có ảnh hưởng đến tia vũ trụ sơ cấp. Ta hãy xét ảnh hưởng của từ trường Trái Đất. Thứ nhất, từ trường Trái Đất cản trở các hạt năng lượng thấp đi vào Trái Đất. Chẳng hạn, một hạt proton chuyển động trong lưỡng cực từ của Trái Đất thì động lượng tối thiểu của nó bằng pmin để có thể bay vào khí quyển dưới góc
so với vĩ tuyến địa từ
được xác định bởi công thức: Ở vĩ tuyến
= 00 , tức là ở xích đạo, động lượng tối thiểu của proton bay vào bầu khí quyển bằng pmin = 15 GeV/c. Tại cực của từ trường, tức là tại vĩ tuyến
=900 , proton có thể bạy vào bầu khí quyển với động lượng bất kỳ vì pmin = 0. Do động lượng của hạt tích điện bị hạn chế theo công thức trên nên cường độ tia vũ trụ sơ cấp phụ thuộc vào vĩ độ, gọi là hiệu ứng vĩ độ. Chẳng hạn, cường độ của tia vũ trụ sơ cấp ở độ cao 10 km tại cực I (900 ) và tại xích đạo I (00 ) khác nhau như sau:
Thứ hai, từ trường Trái Đất ngăn cản tia vũ trụ sơ cấp bay vào bầu khí quyển dưới phương bay xác định. Chẳng hạn hạt mang điện tích dương không thể bay vào bầu khí quyển dưới một góc xác định so với đường chân trời về phía đông. Ví dụ, với proton có năng lượng 2 GeV thì góc cấm này bằng 580 . Do đó ta có hiệu ứng bất đối xứng đông- tây, được xác định bởi đại lượng:
Trong đó Iwest và Ieast là cường độ các tia vũ trụ sơ cấp đến từ hướng tây và hướng đông. Ở độ cao lớn thì tỉ số này là 0,25. Việc phát hiện ra độ mất đối xứng đông-tây cho thấy tia vũ trụ sơ cấp gồm các hạt tích điện dương. Từ trường giữa các hành tinh ảnh hưởng không đáng kể đến các tia vũ trụ sơ cấp. Đóng vai trò quan trọng nhấttrong loại từ trường này là từ trường của các khối plasmaphát ra từ bề mặt Mặt Trời trong các vụ nổ Mặt Trời. Các từ trường này chuyển động trong không gian và làm thay đổi một cách tuần hoàn các điều kiện xuyên qua của tia vũ trụ. Đó là nguyên nhân chính của hiện tượng biến thiên theo thời gian của tia vũ trụ sơ cấp theo chu kỳ 11 năm, 27 năm, … Một hiện tượng khác khi các hạt tích điện chuyển động trong từ trường Trái Đất là các bẫy từ. Đó là các miền không gian mà các hạt tích điện với năng lượng một vài GeV trở xuống không thể bay vào cũng như bay ra khỏi chúng. Các bẫy từ có dạng các hình xuyến bao quanh Trái Đất và là các đới tích tụ các hạt tích điện. Các đới này chủ yếu chứa các hạt proton và electron, được gọi là các vành đai bức xạ của Trái Đất. Khoảng cách từ các vành đai này đến mặt đất phụ thuộc vào năng lượng tia sơ cấp, năng lượng càng cao thì chúng càng gần mặt đất. Tia vũ trụ thứ cấp: Tia vũ trụ thứ cấp sinh ra do tia vũ trụ sơ cấp tương tác với vật chất trong bầu khí quyển. Quá trình tương tác thường gồm hai giai đoạn. Các hạt sơ cấp bị hấp thụ và sinh ra các hạt thứ cấp, sau đó các hạt thứ cấp ion hoá môi trường khí quyển. Tia vũ trụ thứ cấp gồm các hạt hadron (pion, proton, neutron,…), các hạt muon, electron và photon. Người ta thường chia chúng thành ba thành phần là thành phần kích hoạt hạt nhân (các hạt hadron), thành phần cứng (muon) và thành phần mềm (electron, photon). Ta hãy xem xét cơ chế sản sinh các thành phần khác nhau của tia vũ trụ thứ cấp. Các hạt sơ cấp với năng lượng lớn (>> GeV) thường tương tác với các hạt nhân khi đi xuyên qua bầu khí quyển với các tính chất sau: - Proton mất khoảng một nửa năng lượng của mình. - Phần chính của năng lượng mất đi này tạo nên một số lớn các hạt tương đối tính, người ta gọi là đám mưa rào, trong đó chủ yếu là các hạt pion và khoảng 15-20% là các hạt kaon. Ví dụ, proton sơ cấp với năng lượng 103 GeV sinh ra đám mưa rào gồm khoảng 10 hạt. - Phần còn lại của năng lượng nói trên tạo nên các delta-nucleon và kích thước các hạt nâhn cuối. Delta-nucleon là các nucleon sinh ra với năng lượng cỡ 160 Mev. Các hạt nhân kích thích, khi chuyển về trạng thái cơ bản, phát ra hạt proton, neutron, alpha,… Quãng chạy tự do của các hạt sơ cấp trong bầu khí quyển vào khoảng 80 g/cm2. Do đó proton năng lượng cao, khi đi xuyên qua bầu khí quyển, trong mỗi va chạm đó proton sơ cấp mất khoảng một nửa năng lượng của mình để sinh ra các hạt thứ cấp như đã nói trên. Các hạt thứ cấp này hoặc bị hấp thụ, hoặc bay xuống mặt đất. Cá