Tal av professor K. Siegbahn, ledamot av Vetenskapsakademien
Högheter, Kungliga Högheter, mina damer och herrar.
Upptäckten av det fenomen som nu är känt som Cerenkov-effekten, för vilket Nobelpriset i dag delas ut, är ett intressant exempel på hur en relativt enkel fysikalisk observation, om den följs upp på rätt sätt, kan leda till viktiga upptäckter och öppna nya vägar för forskningen. Här måste forskaren vara utrustad med den unika intuitiva experimentella läggning som är det verkliga incitamentet för vetenskapliga framsteg.
Bland studenterna vid Lebedevinstitutet i Moskva i början av trettiotalet fanns Pavel Cerenkov. Den uppgift som hans lärare, professor Vavilov, gav honom för hans avhandlingsarbete var att studera vad som händer när strålningen från en radiumkälla tränger in i och absorberas av olika vätskor. Samma problem hade utan tvekan sysselsatt många vetenskapsmän före denna unga doktorand, och förvisso hade många också observerat det svaga blåaktiga skenet som utgick från vätskan när strålningen trängde in i den. Särskilt bör nämnas fransmannen Lucien Mallets viktiga observation. Det blåaktiga skenet hade – som det verkade på goda grunder – alltid betraktats som en manifestation av det välkända fenomenet fluorescens. Detta fenomen har under mer än ett halvt sekel använts av till exempel radiologer i röntgenfluoroskop, där den ”osynliga” röntgenstrålningen tillåts träffa en fluorescerande skärm, som då lyser upp.
Cerenkov var dock inte övertygad om att det ljusfenomen som han hade observerat verkligen var av fluorescenskaraktär. Redan hans första experiment visade att hans misstankar var korrekta. Han fann till exempel att strålningen i huvudsak var oberoende av vätskans sammansättning. Detta stred mot fluorescensförklaringen. Genom att observera strålning även i dubbeldestillerat vatten eliminerade han möjligheten att små föroreningar fluorescerade i vätskorna.
Cerenkov gjorde den nya, okända strålningen till föremål för en systematisk undersökning. I sitt arbete fann han att strålningen var ”polariserad” i riktning mot den inkommande radiumstrålningen och att det var de snabba sekundärelektronerna, som producerades av den senare, som var den primära orsaken till den synliga strålningen. Detta verifierades genom att bestråla vätskor med enbart elektroner från en radiumkälla.
De undersökningar som Cerenkov publicerade i ryska tidskrifter mellan 1934 och 1937 fastställde i huvudsak de allmänna egenskaperna hos den nyupptäckta strålningen. En matematisk beskrivning av effekten saknades dock fortfarande. Här kommer två av Cerenkovs kollegor i Moskva in i bilden. Hur kan en snabb elektron som passerar genom en vätska ge upphov till strålning med de egenskaper som Cerenkov observerade? I början verkade fenomenet svårt att förstå, men i Frank och Tamms arbete (1937) gavs en förklaring som förutom att vara både enkel och tydlig också uppfyllde kraven på matematisk stringens.
Fenomenet kan jämföras med bogvågen på ett fartyg som rör sig genom vattnet med en hastighet som överstiger vågornas. Detta är för övrigt ett enkelt experiment som vem som helst kan göra. Först släpper man ett föremål i en skål med vatten och observerar den cirkulära vågfrontens utbredningshastighet. Sedan flyttar man föremålet längs vattenytan mycket långsamt till att börja med, men ökar successivt hastigheten. När den senare överstiger den tidigare observerade våghastigheten bildas en bågvåg som sträcker sig snett bakåt på det välkända sättet.
Våghastigheten i vattenytan är naturligtvis låg och därför är det lätt att producera bågvågen i detta fall. I luften uppstår ett analogt fenomen när ett jetplan penetrerar den så kallade ljudbarriären med cirka 1 000 km/h, det vill säga när jetens hastighet överstiger ljudvågornas utbredningshastighet. Detta åtföljs av en smäll.
Det villkor som krävs för att bilda motsvarande Cerenkovbågsvåg av vanligt ljus när en laddad partikel, t.ex. en elektron, genomkorsar ett medium är analogt att partikeln rör sig med en hastighet som är större än ljusets i mediet. Till en början skulle man kunna tro att detta är omöjligt, för enligt Einsteins berömda relativitetsteori är ljusets hastighet den högsta möjliga hastigheten. Detta är i sig korrekt, men den hastighet som avses i Einsteins teori är ljusets hastighet i tomt utrymme eller vakuum. I ett medium, t.ex. en vätska eller ett genomskinligt fast ämne, är ljusets hastighet lägre än i vakuum och varierar dessutom med våglängden. Detta faktum är välkänt från skolexperiment om ljusets brytning i ett prisma. I ett sådant medium är det alltså fullt möjligt för en ultrasnabb elektron som sänds ut från en radioaktiv källa att röra sig med en hastighet som är större än ljusets hastighet i mediet. I så fall bildas en Cerenkov-bågvåg och vätskan lyser med det ljusblå magiska skenet från elektronernas hektiska kapplöpning med det utdistanserade ljuset.
En vacker syn ser man när man tittar ner i en uranreaktor som innehåller vatten; en så kallad simbassängreaktor. Hela kärnan lyser av det blå Cerenkov-ljuset och i detta ljus kan man till och med fotografera reaktorns insida.
I de framgångsrika studier av nya elementarpartiklar som genomförts under de senaste åren, t.ex. upptäckten 1955 av antiprotonen – den negativa vätekärnan – har Cerenkov-effekten spelat en avgörande roll. Man har konstruerat ett instrument som bygger på denna effekt och som kan registrera enskilda partiklars passage. Endast under förutsättning att partikeln har en tillräckligt hög hastighet kommer den att registreras av instrumentet som samtidigt kan mäta hastigheten. För hastighetsbestämningen, som kan göras med avsevärd noggrannhet, utnyttjar man det faktum att bågvågens vinkel beror på partikelhastigheten. Ju snabbare partikeln rör sig, desto mindre blir vinkeln mellan dem. Detta är lätt att förstå från exemplet med fartyget i vattnet. Denna nya typ av strålningsdetektor har fått sitt namn efter Cerenkov och hör numera till de viktigaste instrumenten vid de stora atomlaboratorierna, där elementarpartiklar accelereras till extremt höga hastigheter.
Cerenkovs, Franks och Tamms upptäckt för cirka tjugo år sedan har alltså under de senaste åren funnit en tillämpning av avgörande betydelse för studiet av materiens grundläggande struktur och natur.
Professor Cerenkov, professor Frank, akademiker Tamm. Kungliga Vetenskapsakademien har tilldelat er Nobelpriset i fysik för er upptäckt och förklaring av den effekt som nu bär namnet på en av er. Denna upptäckt kastar inte bara ljus över ett hittills okänt fysikaliskt fenomen, utan ger också ett nytt och effektivt verktyg för studiet av atomen. Jag gratulerar er hjärtligt på akademiens vägnar och ber er att ta emot priset från Hans Majestät Konungen.