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Laudatio von Professor K. Siegbahn, Mitglied der Schwedischen Akademie der Wissenschaften

Ihre Majestäten, Ihre Königlichen Hoheiten, meine Damen und Herren.

Die Entdeckung des heute als Cerenkov-Effekt bekannten Phänomens, für das heute der Nobelpreis verliehen wird, ist ein interessantes Beispiel dafür, wie eine relativ einfache physikalische Beobachtung, wenn sie in der richtigen Weise weiterverfolgt wird, zu wichtigen Erkenntnissen führen und der Forschung neue Wege eröffnen kann. Hier muss der Wissenschaftler mit jener einzigartigen intuitiven experimentellen Veranlagung ausgestattet sein, die der wahre Ansporn für den wissenschaftlichen Fortschritt ist.

Zu den Studenten des Lebedew-Instituts in Moskau gehörte Anfang der dreißiger Jahre Pavel Cerenkov. Die Aufgabe, die ihm sein Lehrer, Professor Vavilov, für seine Diplomarbeit gestellt hatte, bestand darin, zu untersuchen, was passiert, wenn die Strahlung einer Radiumquelle in verschiedene Flüssigkeiten eindringt und dort absorbiert wird. Das gleiche Problem hatte zweifellos schon viele Wissenschaftler vor dem jungen Doktoranden beschäftigt, und sicherlich hatten viele auch das schwache bläuliche Leuchten beobachtet, das von der Flüssigkeit ausging, als die Strahlung in sie eindrang. Besonders hervorzuheben ist die wichtige Beobachtung des Franzosen Lucien Mallet. Das bläuliche Leuchten war – wie es schien mit gutem Grund – immer für eine Erscheinungsform des bekannten Fluoreszenzphänomens gehalten worden. Dieses Phänomen wird seit mehr als einem halben Jahrhundert beispielsweise von Radiologen in Röntgenfluoroskopen genutzt, bei denen die „unsichtbare“ Röntgenstrahlung auf einen fluoreszierenden Schirm trifft, der daraufhin aufleuchtet.

Cerenkov war jedoch nicht davon überzeugt, dass das von ihm beobachtete Lichtphänomen wirklich von fluoreszierender Natur war. Schon seine ersten Experimente deuteten darauf hin, dass sein Verdacht richtig war. Er stellte zum Beispiel fest, dass die Strahlung im Wesentlichen unabhängig von der Zusammensetzung der Flüssigkeit war. Dies stand im Widerspruch zur Fluoreszenzerklärung. Indem er die Strahlung sogar in doppelt destilliertem Wasser beobachtete, schloss er die Möglichkeit aus, dass winzige Verunreinigungen in den Flüssigkeiten fluoreszieren.

Cerenkov machte die neue, unbekannte Strahlung zum Gegenstand einer systematischen Untersuchung. Dabei stellte er fest, dass die Strahlung in Richtung der einfallenden Radiumstrahlung „polarisiert“ war und dass die schnellen Sekundärelektronen, die von letzterer erzeugt wurden, die Hauptursache für die sichtbare Strahlung waren. Dies wurde überprüft, indem die Flüssigkeiten nur mit den Elektronen einer Radiumquelle bestrahlt wurden.

Die Untersuchungen, die Cerenkov zwischen 1934 und 1937 in den russischen Zeitschriften veröffentlichte, legten im Wesentlichen die allgemeinen Eigenschaften der neu entdeckten Strahlung fest. Allerdings fehlte noch eine mathematische Beschreibung des Effekts. Hier kommen zwei von Cerenkovs Kollegen in Moskau ins Spiel. Wie kann ein schnelles Elektron beim Durchgang durch eine Flüssigkeit eine Strahlung mit den von Cerenkov beobachteten Eigenschaften hervorrufen? Anfangs schien das Phänomen schwer zu verstehen, aber in der Arbeit von Frank und Tamm (1937) wurde eine Erklärung gegeben, die nicht nur einfach und klar war, sondern auch den Anforderungen an mathematische Stringenz genügte.

Das Phänomen kann mit der Bugwelle eines Schiffes verglichen werden, die sich mit einer Geschwindigkeit durch das Wasser bewegt, die die der Wellen übersteigt. Dies ist übrigens ein einfaches Experiment, das jeder machen kann. Zunächst lässt man einen Gegenstand in eine Schüssel mit Wasser fallen und beobachtet die Ausbreitungsgeschwindigkeit der kreisförmigen Wellenfront. Dann bewegt man den Gegenstand entlang der Wasseroberfläche, anfangs sehr langsam, aber allmählich mit zunehmender Geschwindigkeit. Wenn diese die zuvor beobachtete Wellengeschwindigkeit übersteigt, bildet sich eine Bugwelle, die sich in der bekannten Weise schräg nach hinten ausbreitet.

Die Wellengeschwindigkeit in der Wasseroberfläche ist natürlich gering und daher ist es in diesem Fall leicht, die Bugwelle zu erzeugen. In der Luft tritt ein analoges Phänomen auf, wenn ein Düsenflugzeug mit etwa 1.000 km/h die sogenannte Schallmauer durchbricht, d.h. wenn die Strahlgeschwindigkeit die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen übersteigt. Dies wird von einem Knall begleitet.

Die Bedingung, die erforderlich ist, um die entsprechende Cerenkov-Bogenwelle des gewöhnlichen Lichts zu bilden, wenn ein geladenes Teilchen, z. B. ein Elektron, ein Medium durchquert, ist analog dazu, dass sich das Teilchen mit einer Geschwindigkeit bewegt, die größer ist als die des Lichts im Medium. Auf den ersten Blick könnte man meinen, dies sei unmöglich, denn nach Einsteins berühmter Relativitätstheorie ist die Lichtgeschwindigkeit die höchstmögliche Geschwindigkeit. Das ist an sich richtig, aber die Geschwindigkeit, auf die sich Einsteins Theorie bezieht, ist die Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum oder Vakuum. In einem Medium, z. B. einer Flüssigkeit oder einem durchsichtigen Festkörper, ist die Lichtgeschwindigkeit geringer als im Vakuum und variiert zudem mit der Wellenlänge. Diese Tatsache ist aus Schulversuchen zur Lichtbrechung in einem Prisma bekannt. In einem solchen Medium ist es also durchaus möglich, dass sich ein ultraschnelles Elektron, das von einer radioaktiven Quelle ausgestrahlt wird, mit einer Geschwindigkeit bewegt, die größer ist als die des Lichts in diesem Medium. In diesem Fall bildet sich eine Cerenkov-Bogenwelle, und die Flüssigkeit leuchtet mit dem hellblauen magischen Schein des hektischen Wettlaufs der Elektronen mit dem überstrahlten Licht.

Ein schöner Anblick bietet sich, wenn man in einen wasserführenden Uranreaktor, einen sogenannten Schwimmbadreaktor, hinabschaut. Der ganze Kern leuchtet im blauen Cerenkov-Licht, und in diesem Licht kann man sogar das Innere des Reaktors fotografieren.

Bei den erfolgreichen Untersuchungen neuer Elementarteilchen in den letzten Jahren, z.B. bei der Entdeckung des Antiprotons – des negativen Wasserstoffkerns – im Jahre 1955, hat der Cerenkov-Effekt eine entscheidende Rolle gespielt. Auf der Grundlage dieses Effekts wurde ein Instrument entwickelt, das in der Lage ist, den Durchgang von einzelnen Teilchen zu registrieren. Nur unter der Bedingung, dass das Teilchen eine ausreichend hohe Geschwindigkeit hat, wird es von dem Instrument registriert, das gleichzeitig auch die Geschwindigkeit messen kann. Für die Bestimmung der Geschwindigkeit, die mit beachtlicher Genauigkeit erfolgen kann, macht man sich die Tatsache zunutze, dass der Winkel der Bogenwelle von der Teilchengeschwindigkeit abhängt. Je schneller sich die Teilchen bewegen, desto kleiner wird der Winkel zwischen ihnen. Dies lässt sich anhand des Beispiels mit dem Schiff im Wasser leicht nachvollziehen. Dieser neue Typ von Strahlungsdetektor wurde nach Cerenkov benannt und gehört heute zu den wichtigsten Instrumenten in den großen Atomlaboratorien, in denen Elementarteilchen auf extrem hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden.

Die Entdeckung von Cerenkov, Frank und Tamm vor etwa zwanzig Jahren hat somit in den letzten Jahren eine Anwendung von entscheidender Bedeutung bei der Erforschung der grundlegenden Struktur und Natur der Materie gefunden.

Professor Cerenkov, Professor Frank, Akademiemitglied Tamm. Die Schwedische Königliche Akademie der Wissenschaften hat Ihnen den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung und Erklärung des Effekts verliehen, der jetzt den Namen eines von Ihnen trägt. Diese Entdeckung wirft nicht nur Licht auf ein bisher unbekanntes physikalisches Phänomen, sondern liefert auch ein neues und effektives Werkzeug für die Erforschung des Atoms. Ich gratuliere Ihnen im Namen der Akademie von ganzem Herzen und bitte Sie, den Preis aus den Händen Seiner Majestät des Königs entgegenzunehmen.