Uitreikingstoespraak door Professor K. Siegbahn, lid van de Zweedse Academie van Wetenschappen
Uwe Majesteiten, Uwe Koninklijke Hoogheden, Dames en Heren.
De ontdekking van het verschijnsel dat nu bekend staat als het Cerenkov-effect, waarvoor vandaag de Nobelprijs wordt uitgereikt, is een interessant voorbeeld van hoe een betrekkelijk eenvoudige natuurkundige waarneming, mits op de juiste wijze gevolgd, tot belangrijke bevindingen kan leiden en nieuwe wegen voor het onderzoek kan openen. Hier moet de wetenschapper begiftigd zijn met die unieke intuïtieve experimentele aanleg die de ware stimulans is in de wetenschappelijke vooruitgang.
Onder de studenten aan het Lebedev Instituut in Moskou in het begin van de jaren dertig was Pavel Cerenkov. De opdracht die hij van zijn leraar, professor Vavilov, voor zijn afstudeerwerk kreeg, was te bestuderen wat er gebeurt wanneer de straling van een radiumbron doordringt in en wordt geabsorbeerd door verschillende vloeistoffen. Hetzelfde probleem had ongetwijfeld vele wetenschappers vóór deze jonge afgestudeerde student beziggehouden en, zeker, velen hadden ook de zwakke blauwachtige gloed waargenomen die uit de vloeistof kwam wanneer de straling erin doordrong. Speciale vermelding verdient de belangrijke waarneming van de Fransman Lucien Mallet. De blauwachtige gloed was – naar het zich liet aanzien op goede gronden – altijd beschouwd als een manifestatie van het bekende fluorescentieverschijnsel. Dit verschijnsel wordt al meer dan een halve eeuw gebruikt, bijvoorbeeld door radiologen in röntgenfluoroscopen, waar men de “onzichtbare” röntgenstraling laat inslaan op een fluorescerend scherm, dat dan oplicht.
Cerenkov was er echter niet van overtuigd dat het lichtverschijnsel dat hij had waargenomen werkelijk van het fluorescentiekarakter was. Reeds zijn eerste experimenten gaven aan dat zijn vermoedens juist waren. Hij stelde bijvoorbeeld vast dat de straling in wezen onafhankelijk was van de samenstelling van de vloeistof. Dit was in strijd met de fluorescentie verklaring. Door zelfs in dubbel gedestilleerd water straling waar te nemen, elimineerde hij de mogelijkheid van minieme onzuiverheden die fluoresceren in de vloeistoffen.
Cerenkov maakte de nieuwe, onbekende straling tot onderwerp van een systematisch onderzoek. In zijn werk ontdekte hij dat de straling “gepolariseerd” was in de richting van de binnenkomende radiumstraling en dat het de snelle secundaire elektronen waren, die door deze laatste werden geproduceerd, die de hoofdoorzaak waren van de zichtbare straling. Dit werd geverifieerd door de vloeistoffen te bestralen met alleen de elektronen van een radiumbron.
De onderzoeken die Cerenkov tussen 1934 en 1937 in de Russische tijdschriften publiceerde, stelden in hoofdzaak de algemene eigenschappen van de nieuw ontdekte straling vast. Een wiskundige beschrijving van het effect ontbrak echter nog. Hier komen twee collega’s van Cerenkov in Moskou in beeld. Hoe kan een snel elektron bij het passeren van een vloeistof aanleiding geven tot straling met de eigenschappen die Cerenkov heeft waargenomen? In het begin leek het verschijnsel moeilijk te begrijpen, maar in het werk van Frank en Tamm (1937) werd een verklaring gegeven die niet alleen eenvoudig en duidelijk was, maar ook voldeed aan de eisen van wiskundige gestrengheid.
Het verschijnsel kan worden vergeleken met de boeggolf van een schip dat door het water beweegt met een snelheid die die van de golven overtreft. Dit is overigens een eenvoudig experiment dat iedereen kan maken. Eerst laat men een voorwerp in een kom met water vallen en observeert de voortplantingssnelheid van het cirkelvormige golffront. Vervolgens beweegt men het voorwerp langs het wateroppervlak, aanvankelijk zeer langzaam, maar geleidelijk aan wordt de snelheid opgevoerd. Wanneer deze de eerder waargenomen golfsnelheid overschrijdt, ontstaat een boeggolf die zich op de bekende wijze schuin naar achteren uitbreidt.
De golfsnelheid in het wateroppervlak is natuurlijk laag en daarom is het in dit geval gemakkelijk de boeggolf te produceren. In de lucht treedt een analoog verschijnsel op wanneer een straalvliegtuig met ongeveer 1000 km/u door de zogenaamde geluidsbarrière dringt, d.w.z. wanneer de snelheid van de straal de voortplantingssnelheid van de geluidsgolven overschrijdt. Dit gaat gepaard met een knal.
De voorwaarde die vereist is om de overeenkomstige Cerenkov-boeggolf van gewoon licht te vormen wanneer een geladen deeltje, b.v. een elektron, een medium doorkruist, is, analoog daaraan, dat het deeltje beweegt met een snelheid die groter is dan die van het licht in het medium. Op het eerste gezicht zou men kunnen denken dat dit onmogelijk is, want volgens Einsteins beroemde relativiteitstheorie is de snelheid van het licht de hoogst mogelijke snelheid. Dit is op zich juist, maar de snelheid waarnaar in Einsteins theorie wordt verwezen, is de snelheid van het licht in de lege ruimte of het vacuüm. In een medium, b.v. een vloeistof of een doorzichtige vaste stof, is de lichtsnelheid lager dan in vacuüm en bovendien varieert zij met de golflengte. Dit feit is bekend uit schoolproeven over de breking van licht in een prisma. In een dergelijk medium is het dus heel goed mogelijk dat een ultrasnel elektron, uitgezonden door een radioactieve bron, zich verplaatst met een snelheid die groter is dan die van het licht in het medium. In dat geval wordt een Cerenkov-booggolf gevormd en de vloeistof gloeit met de helderblauwe toverschijnselen van de hectische wedloop van de elektronen met het uitgetreden licht.
Een prachtig gezicht ziet men als men neerkijkt in een uraniumreactor die water bevat; een z.g. zwembadreactor. De hele kern gloeit met het blauwe Cerenkov-licht en in dit licht kan men zelfs het inwendige van de reactor fotograferen.
Bij de succesvolle studies van nieuwe elementaire deeltjes die de laatste jaren zijn ondernomen, b.v. de ontdekking in 1955 van het antiproton – de negatieve waterstofkern – heeft het Cerenkov-effect een doorslaggevende rol gespeeld. Op basis van dit effect is een instrument ontworpen dat in staat is de passage van afzonderlijke deeltjes te registreren. Alleen onder de voorwaarde dat het deeltje een voldoende hoge snelheid heeft, zal het worden geregistreerd door het instrument, dat tegelijkertijd de snelheid kan meten. Voor de bepaling van de snelheid, die met grote nauwkeurigheid kan worden verricht, maakt men gebruik van het feit dat de hoek van de boeggolf afhangt van de snelheid van het deeltje. Hoe sneller het deeltje beweegt, des te kleiner zal de hoek tussen beide zijn. Dit is gemakkelijk te begrijpen uit het voorbeeld met het schip in het water. Dit nieuwe type stralingsdetector is naar Cerenkov genoemd en behoort thans tot de belangrijkste instrumenten in de grote atoomlaboratoria, waar elementaire deeltjes tot extreem hoge snelheden worden versneld.
De ontdekking van Cerenkov, Frank en Tamm, ongeveer twintig jaar geleden, heeft dus gedurende de laatste jaren een toepassing gevonden van doorslaggevend belang bij de studie van de fundamentele structuur en aard van de materie.
Professor Cerenkov, professor Frank, Academicus Tamm. De Zweedse Koninklijke Academie van Wetenschappen heeft u de Nobelprijs voor Natuurkunde toegekend voor uw ontdekking en verklaring van het effect dat nu de naam van een van u draagt. Deze ontdekking werpt niet alleen licht op een tot nu toe onbekend natuurkundig verschijnsel, maar verschaft ook een nieuw en doeltreffend instrument voor de studie van het atoom. Ik feliciteer u van harte namens de Academie, en verzoek u de prijs in ontvangst te nemen uit handen van Zijne Majesteit de Koning.