Discorso di presentazione del Professor K. Siegbahn, membro dell’Accademia Svedese delle Scienze
Vostre Maestà, Vostre Altezze Reali, Signore e Signori.
La scoperta del fenomeno ora noto come effetto Cerenkov, per il quale oggi viene assegnato il premio Nobel, è un interessante esempio di come un’osservazione fisica relativamente semplice, se seguita nel modo giusto, può portare a importanti scoperte e aprire nuove strade alla ricerca. Qui lo scienziato deve essere dotato di quell’unica disposizione sperimentale intuitiva che è il vero incentivo al progresso scientifico.
Tra gli studenti dell’Istituto Lebedev di Mosca nei primi anni Trenta c’era Pavel Cerenkov. Il compito assegnatogli dal suo insegnante, il professor Vavilov, per il suo lavoro di tesi, era quello di studiare cosa succede quando la radiazione di una sorgente di radio penetra e viene assorbita in diversi fluidi. Lo stesso problema aveva senza dubbio interessato molti scienziati prima di questo giovane studente laureato e, per essere sicuri, molti avevano anche osservato il debole bagliore bluastro che emanava dal liquido quando la radiazione vi penetrava. Una menzione speciale dovrebbe essere fatta dell’importante osservazione del francese Lucien Mallet. Il bagliore bluastro era sempre stato considerato – come sembrava su buone basi – una manifestazione del ben noto fenomeno della fluorescenza. Questo fenomeno è stato utilizzato per più di mezzo secolo, per esempio, dai radiologi nei fluoroscopi a raggi X, dove la radiazione X “invisibile” viene lasciata colpire da uno schermo fluorescente, che poi si illumina.
Cerenkov, tuttavia, non era convinto che il fenomeno luminoso che aveva osservato fosse davvero della natura della fluorescenza. Già i suoi primi esperimenti indicavano che i suoi sospetti erano corretti. Trovò, per esempio, che la radiazione era essenzialmente indipendente dalla composizione del liquido. Questo era in disaccordo con la spiegazione della fluorescenza. Osservando la radiazione anche nell’acqua doppiamente distillata, eliminò la possibilità di minuscole impurità fluorescenti nei liquidi.
Cerenkov fece della nuova, sconosciuta radiazione l’oggetto di un’indagine sistematica. Nel suo lavoro trovò che la radiazione era “polarizzata” lungo la direzione della radiazione del radio in arrivo e che erano gli elettroni secondari veloci, prodotti da quest’ultimo, ad essere la causa primaria della radiazione visibile. Questo fu verificato irradiando i liquidi con i soli elettroni di una sorgente di radio.
Le indagini che Cerenkov pubblicò nei periodici russi tra il 1934 e il 1937 stabilirono essenzialmente le proprietà generali della radiazione appena scoperta. Tuttavia, mancava ancora una descrizione matematica dell’effetto. Qui entrano in scena due colleghi di Cerenkov a Mosca. Come può un elettrone veloce, passando attraverso un liquido, dare origine a una radiazione con le proprietà osservate da Cerenkov? All’inizio il fenomeno sembrava difficile da capire, ma nel lavoro di Frank e Tamm (1937) fu data una spiegazione che oltre ad essere semplice e chiara, soddisfaceva anche i requisiti di rigorosità matematica.
Il fenomeno può essere paragonato all’onda di prua di una nave che si muove attraverso l’acqua con una velocità superiore a quella delle onde. Questo è, per inciso, un semplice esperimento che chiunque può fare. Prima si lascia cadere un oggetto in una bacinella d’acqua e si osserva la velocità di propagazione del fronte d’onda circolare. Poi si muove l’oggetto lungo la superficie dell’acqua molto lentamente all’inizio, ma aumentando gradualmente la velocità. Quando quest’ultima supera la velocità dell’onda precedentemente osservata, si forma un’onda di prua che si estende obliquamente all’indietro nel modo ben noto.
La velocità dell’onda nella superficie dell’acqua è naturalmente bassa e quindi è facile produrre l’onda di prua in questo caso. Nell’aria, un fenomeno analogo si verifica quando un aereo a reazione penetra la cosiddetta barriera del suono a circa 1.000 km/h, cioè quando la velocità del getto supera la velocità di propagazione delle onde sonore. Questo è accompagnato da un botto.
La condizione che è richiesta per formare la corrispondente onda d’arco di Cerenkov della luce ordinaria quando una particella carica, per esempio un elettrone, attraversa un mezzo è, analogamente, che la particella si muove con una velocità maggiore di quella della luce nel mezzo. All’inizio, si potrebbe pensare che questo sia impossibile, perché secondo la famosa teoria della relatività di Einstein la velocità della luce è la massima velocità possibile. Questo è di per sé corretto, ma la velocità a cui si riferisce la teoria di Einstein è la velocità della luce nello spazio vuoto o nel vuoto. In un mezzo, per esempio un liquido o un solido trasparente, la velocità della luce è più bassa che nel vuoto e inoltre varia con la lunghezza d’onda. Questo fatto è ben noto dagli esperimenti scolastici sulla rifrazione della luce in un prisma. In un tale mezzo, è quindi del tutto possibile che un elettrone ultraveloce, emesso da una sorgente radioattiva, si muova con una velocità maggiore di quella della luce nel mezzo. In questo caso, si forma un’onda d’arco di Cerenkov e il liquido si illumina di un brillante blu magico dovuto alla corsa frenetica degli elettroni con la luce distanziata.
Uno spettacolo bellissimo si vede guardando giù in un reattore di uranio contenente acqua; un cosiddetto reattore da piscina. L’intero nucleo è illuminato dalla luce blu di Cerenkov e con questa luce si può anche fotografare l’interno del reattore.
Negli studi di successo di nuove particelle elementari intrapresi negli ultimi anni, per esempio la scoperta nel 1955 dell’antiprotone – il nucleo negativo dell’idrogeno – l’effetto Cerenkov ha giocato un ruolo decisivo. È stato progettato uno strumento basato su questo effetto che è in grado di registrare il passaggio di singole particelle. Solo a condizione che la particella abbia una velocità sufficientemente alta sarà registrata dallo strumento che, allo stesso tempo, può misurare la velocità. Per la determinazione della velocità, che può essere effettuata con notevole precisione, si sfrutta il fatto che l’angolo dell’onda di prua dipende dalla velocità della particella. Più veloce si muove la particella, più piccolo sarà l’angolo tra di esse. Questo è facilmente comprensibile dall’esempio con la nave nell’acqua. Questo nuovo tipo di rivelatore di radiazioni ha preso il nome di Cerenkov ed è ora tra gli strumenti più importanti nei grandi laboratori atomici, dove le particelle elementari sono accelerate a velocità estremamente elevate.
La scoperta di Cerenkov, Frank e Tamm, circa venti anni fa ha quindi, negli ultimi anni, trovato un’applicazione di importanza decisiva nello studio della struttura di base e della natura della materia.
Professore Cerenkov, professor Frank, accademico Tamm. L’Accademia Reale Svedese delle Scienze vi ha assegnato il Premio Nobel per la Fisica per la vostra scoperta e la spiegazione dell’effetto che ora porta il nome di uno di voi. Questa scoperta non solo getta luce su un fenomeno fisico finora sconosciuto, ma fornisce anche un nuovo ed efficace strumento per lo studio dell’atomo. Mi congratulo con voi di cuore a nome dell’Accademia, e vi chiedo di accettare il premio dalle mani di Sua Maestà il Re.