宇宙線重核效應(yīng)（ effects of heavy primary nuclei of cosmic rays ），宇宙線重核粒子在傳播過(guò)程中的各種物理過(guò)程，以及與星際介質(zhì)氫、氦等的相互作用。宇宙線重核是指宇宙線中原子序數(shù)Z>2的核粒子。1948年弗賴(lài)爾(P.S.Freier)等人在高空飛行的氣球上，用云霧室和依爾福核乳膠照相發(fā)現(xiàn)了原子序數(shù)達(dá)到40，動(dòng)能達(dá)到5×108電子伏的宇宙線重核粒子。這表明轟擊地球的宇宙線，不僅包括質(zhì)子，還包括氦核和重元素的核。

宇宙線重核效應(yīng)的研究，不僅可以了解宇宙線的組成、能譜、起源和次級(jí)宇宙線的產(chǎn)生等問(wèn)題，同時(shí)還有助于人類(lèi)認(rèn)識(shí)元素起源、天體演化、各種天體物質(zhì)的宇宙線照射歷史、表面動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并可用于估計(jì)隕石母體的大小，恢復(fù)隕石母體的形狀和估算隕石通過(guò)大氣層時(shí)的燒蝕量等。此外，對(duì)于宇宙飛行，宇宙飛船和太空服的設(shè)計(jì)也具有重要的實(shí)際意義。

一般按原子序數(shù)分為輕元素核(L)、中等元素核(M)和重元素核(H)，重元素核又分為H3、H2和H1（見(jiàn)表1）。有時(shí)在重元素核中又分為最重核（VH，18≤Z≤30）和超重核（VVH，Z>30）。在初級(jí)宇宙射線中，重核只占很少一部分，按粒子數(shù)計(jì)算少于2％，按進(jìn)入質(zhì)量計(jì)算少于15％。以中等元素核的豐度等于1為標(biāo)準(zhǔn)表示的各類(lèi)宇宙線重核的相對(duì)豐度也見(jiàn)表1。以到達(dá)地球大氣層頂部、能量≥1.5×106電子伏的碳核通量等于1為標(biāo)準(zhǔn)表示的宇宙線重核相對(duì)豐度如圖。

圖中，右邊畫(huà)右斜線的柱表示宇宙線重核的原始豐度（源區(qū)豐度），左邊的柱表示在地球大氣層頂部所觀測(cè)的豐度，其中黑色區(qū)表示宇宙線與星際物質(zhì)相互作用以后的次級(jí)產(chǎn)物的量。從圖看出，在宇宙線源區(qū)，氧的豐度略超過(guò)碳的豐度，但在地球大氣層頂部，碳的豐度略超過(guò)氧的豐度。氮的源區(qū)豐度低于靠近地球處的觀測(cè)值，表明大部分氮是次級(jí)產(chǎn)物。Ne、Mg、Si、Fe在豐度上比較接近，約為0.2～0.25。到達(dá)地球附近的C、O核大約有90％，Ne、Mg、Si核大約有70～80％是原始核。其余元素大都是次生核占優(yōu)勢(shì)。Ar、Ca、Na、Al的原始豐度是十分低的，相對(duì)于C來(lái)說(shuō)，Ar和Ca的豐度約為0.01，Na和Al約為0.005。這一數(shù)值與卡梅倫(A.G.W.Cameron)的宇宙豐度屬同一數(shù)量級(jí)。

宇宙線自產(chǎn)生至到達(dá)地球的傳播過(guò)程中，與星際介質(zhì)中的氫、氦等元素以及地球大氣發(fā)生碰撞，使原始宇宙線重核發(fā)生核崩裂和核散裂反應(yīng)，引起到達(dá)地球的宇宙線重核豐度發(fā)生變化，并生成一系列新核素。

在宇宙線能量E≥2.3×10⁹ 電子伏情況下，最豐富的宇宙線重核與氫碰撞產(chǎn)生質(zhì)量數(shù)為6～27的核(6Li～27Al)。Fe核與氫碰撞后崩裂成比Al重的核。但星際氣體原子有10～15％是He，它與宇宙線重核相互作用的幾率(截面)超過(guò)與氫相互作用的幾率，是使宇宙線重核在星際氣體中傳播時(shí)豐度發(fā)生變化的重要因素。如重核與氦作用產(chǎn)生的10Be比它與氫相互作用產(chǎn)生的10Be高2倍以上。宇宙線能量為100～500百萬(wàn)電子伏時(shí)，56Fe與He碰撞時(shí)生成17≤Z ≤20的產(chǎn)率比與氫碰撞產(chǎn)生這些核元素的產(chǎn)率要大得多。

宇宙線重核與空氣相互作用產(chǎn)生H1、H2、H3和M、L核素如表2。Pji是產(chǎn)生每一類(lèi)子體核的分截面總和被相應(yīng)的每一類(lèi)母體核的平均總非彈性截面相除所得的值，即Pji是由 j類(lèi)核碰撞出i類(lèi)核的平均數(shù)。

隕石等地球外固體物質(zhì)有兩個(gè)基本特點(diǎn)：一是沒(méi)有像地球這樣稠密的大氣層的屏蔽，因此它們幾乎直接暴露在宇宙線下；二是它們?cè)谟钪婵臻g運(yùn)行的時(shí)間很長(zhǎng)。當(dāng)宇宙線重核轟擊這些固體物質(zhì)時(shí)，高能帶電粒子會(huì)在絕緣固體物質(zhì)（如硅酸鹽礦物）中產(chǎn)生輻射損傷──固體核徑跡，并被直接記載下來(lái)。宇宙射線重核還可以與固體物質(zhì)中的組分作用，產(chǎn)生次級(jí)反應(yīng)產(chǎn)物，這些次級(jí)產(chǎn)物也是具有一定能量和電荷的粒子，當(dāng)他們被固體物質(zhì)阻止下來(lái)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生核徑跡被記載下來(lái)。宇宙線重核與固體物質(zhì)的組分發(fā)生核作用時(shí)，也會(huì)引起固體物質(zhì)中的同位素組成發(fā)生變異，比較起來(lái)，氫和氦的這種作用是很小的。在通常硅酸鹽礦物中氫和氦核所造成的輻射損傷不形成蝕刻徑跡。所以，形成固體核徑跡是宇宙線重核的特征效應(yīng)。

根據(jù)高能帶電粒子產(chǎn)生的輻射損傷程度和元素豐度，隕石硅酸鹽礦物中記載下來(lái)的核徑跡主要是VH核（18≤Z≤30），和少量VVH核的徑跡，VH核徑跡有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

①由于硅酸鹽礦物靈敏性較低，只有在靠近VH核的射程末端才形成徑跡。蝕刻出來(lái)的徑跡長(zhǎng)度一般約為10～20微米。②由于核相互作用導(dǎo)致能量損失的速度較快，以及VH核在空間的能譜形狀，VH核的徑跡密度隨深度而迅速減少。低能粒子徑跡在微米級(jí)范圍可以看到明顯的變化；高能粒子則在厘米級(jí)范圍內(nèi)可以看出。③由于VH核徑跡的深度效應(yīng)，徑跡分布呈現(xiàn)出異向性，即隕石破碎以后，徑跡的分布在靠近原始表面的方向密度愈來(lái)愈大。④伴隨著VH徑跡，偶爾也會(huì)出現(xiàn)一些更長(zhǎng)的徑跡，這是Z>30的超重核形成的。對(duì)于一個(gè)球形的隕石母體，徑跡的產(chǎn)率可用下式表達(dá)：

式中，n為蝕刻效率，dNz/dE是能量在E0和E0+dE范圍內(nèi)電荷數(shù)為Z的宇宙線重核粒子數(shù)，E0相應(yīng)于射程為R0時(shí)的能量， 為能量隨射程的變化率，Δ R 0(Z)為蝕刻徑跡的平均長(zhǎng)度， ?是對(duì)于非彈性 核碰撞每單位路程長(zhǎng)度的幾率， S為對(duì)于 核相互作用的校正因子。