偷走电量的怪盗，究竟来自哪里？

一、问题的起源

18世纪，人们对电现象有了初步的认识。1785年法国物理学家库仑向法国皇家科学院提交了多份关于电磁现象的研究报告，其中一份报告详细记录了他通过一个基于验电器原理制作的扭力天平实验得出了由于空气的作用，该装置的电量不能永久保持，总会以自发放电的形式泄露电荷的结论。此后有多人研究过空气电离的问题，引出了一个困扰了人类近一个半世纪的空气电离之谜。

二、如何找到答案

我们来重温一下验电器实验和空气电离的原因。世间存在正负两种电荷，同种电荷相斥，异种电荷相吸。丝绸摩擦过的玻璃棒会带正电，而用毛皮摩擦过的橡胶棒会带负电，一旦将它们靠近验电器上方的导体片时，自身所带的电荷会传到玻璃钟罩内的箔片上。由于同种电荷相互排斥，金属箔片将自动分开，张成一定角度。根据两箔片张角的大小可估计物体带电量的大小。

但是金属箔片张角会随着时间慢慢变小，这说明验电器会自发放电泄露电荷，也就是说电荷被某个“小偷”悄无声息地偷走了。

1903年，英国的卢瑟福在库仑结论的基础上，怀疑“小偷”的身份是辐射：辐射导致大气电离产生正负离子，这些正负离子碰到金属箔片，中和了金属箔片上的电荷，在我们看起来就像是“偷”走了验电器中的电荷一样。

于是他用铁和铅把验电器完全屏蔽起来，电离速率几乎可减少约三分之一，但验电器内部的空气还是会发生电离，大约是每秒每立方厘米有10对离子产生。在论文中卢瑟福提出设想，也许有某种贯穿力极强的辐射从外面进入验电器，从而激发出二次放射性。现在嫌疑聚焦在辐射这个“小偷”身上了，而且这种辐射还不是普通的“小偷”，而是可以自如穿过“由铅板和铁板组成的密室”的“怪盗”。那么这个神秘的“怪盗”的老巢在哪里呢？

我们如何确定“怪盗”们的来源呢？

三、实验设计

今天，我们拥有了远比验电器更加强大而精确的探测器，让我们利用现代实验设备来重新证明宇宙线作为“电荷怪盗”让空气电离，以及它们来自宇宙而不是来自地下。首先介绍一下现代宇宙线探测器的一种——闪烁体探测器的工作原理。有关探测器更为详细的描述可以参考同期文章《重走宇宙线发现之旅》中对姜堰中学的宇宙线探测器阵列和缪子望远镜的介绍。

四、小结

1. 空气电离除了来自于地表可能存在的放射性物质之外，还来自于宇宙线；

2. 探测器计数率越高，说明单位时间内打在探测器上的宇宙线粒子越多；

3. 宇宙射线会穿过物质，有一部分会被“吸收”和“散射”，计数率会减少；

4. 宇宙射线的计数率会随着天顶角而变化，这个是由于不同天顶角大气厚度不一样，导致宇宙线被“吸收”和“散射”的程度不一样。