Physiknobelpreis 1936: Carl David Anderson — Viktor Franz Hess

Physiknobelpreis 1936: Carl David Anderson — Viktor Franz Hess

 

Der amerikanische Physiker wurde »für die Entdeckung des Positrons«, der österreichische Physiker »für die Entdeckung der kosmischen Strahlung« ausgezeichnet.

 

 Biografien

 

Carl David Anderson, * New York 3. 9. 1905, ✝ San Marino (Kalifornien) 11. 1. 1991; Studium am California Institute of Technology, 1930 Promotion, 1939-76 Professor für Physik am California Institute for Technology in Pasadena.

 

Viktor Franz Hess, * Schloss Waldstein (Steiermark) 24. 6. 1883, ✝ Mount Vernon (New York) 17. 2. 1964; 1920-21 Professor an der Universität Graz, 1921-23 Direktor des Forschungsinstituts der US Radium Corporation, 1925-31 Professor für Experimentalphysik an der Universität Graz und 1931-37 für Physik an der Universität Innsbruck, 1938 Emigration in die USA, 1938-57 Professor für Physik an der Fordham University in New York.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Im Jahr 1911 begann Viktor Hess mit Strahlungsmessungen in der Atmosphäre. Er wollte zeigen, dass die natürliche radioaktive Strahlung der Erde mit der Höhe abnimmt. Hierzu unternahm er eine Reihe von Ballonfahrten, bei denen er mit Hilfe eines Elektroskops in einem hermetisch verschlossenen Gefäß die Ionisation maß.

 

Tatsächlich verringerte sich die Intensität der atmosphärischen Ionisation zunächst, nahm jedoch ab etwa 1000 Meter Höhe stetig zu und hatte in etwa 5 Kilometer Höhe schon ein Mehrfaches des am Erdboden beobachteten Werts erreicht. Er schloss daraus, dass die Ionisation durch eine bisher unbekannte außerterrestrische Strahlung von hohem Durchdringungsvermögen hervorgerufen werde. Durch nächtliche Ballonfahrten und einem Aufstieg während einer totalen Sonnenfinsternis konnte er nachweisen, dass die Strahlung ihren Ursprung nicht in der Sonne haben konnte, sondern aus dem Weltraum kam und aus allen Richtungen auf die Erdatmosphäre traf.

 

 Kosmische Strahlung

 

Hess hielt sie zunächst für Gammastrahlung, doch Walther Bothe (Nobelpreis 1954) wies 1929 nach, dass es sich bei der »Hess'schen Strahlung« um eine hochenergetische Teilchenstrahlung handelte, die überwiegend aus Wasserstoffkernen (Protonen) und Heliumkernen (Alphateilchen) besteht. Die Energie, die der Erde durch diese kosmische Höhenstrahlung zugeführt wird, entspricht etwa der Lichtintensität des Nachthimmels, ist jedoch auf wenige Teilchen verteilt, wodurch einzelne Partikel Energien von bis zu 10²⁰ eV haben können. Das ist ein Vielfaches der Teilchenenergien, die in modernen Beschleunigern erreicht werden.

 

Die systematische Untersuchung der kosmischen Strahlung, bei der zunächst die Natur der Stoßprozesse im Vordergrund des Interesses stand, führte alsbald zur Entdeckung einer Reihe neuer Elementarteilchen. Bei der Wechselwirkung der aus dem Weltall kommenden so genannten Primärstrahlung mit Luftmolekülen der äußeren Erdatmosphäre in etwa 15-25 Kilometer Höhe, kommt es zu einer Fülle von Umwandlungsprozessen. Die dabei entstehende Sekundärstrahlung setzt sich einerseits aus Schauern von Elektronen, Positronen und energiereichen Lichtquanten und andererseits aus Elementarteilchen wie Myonen und Pionen zusammen. Mittlerweile ist die kosmische Strahlung zu einem wichtigen Forschungsfeld der Astrophysik geworden, vermutet man doch ihren Ursprung in Supernovaexplosionen.

 

In Hess' Observatorium zur Registrierung der kosmischen Strahlung, das auf der über 2300 Meter hohen Hafelekarspitze unweit Innsbruck errichtete wurde, setzte er erstmals auch die besonders feinkörnige Kernspur-Fotoplatte zum Nachweis von Teilchenspuren ein.

 

Nach dem »Anschluss« Österreichs an das Deutsche Reich 1938 emigrierte Hess, der mit einer Jüdin verheiratet war, in die USA. Er blieb bis 1956 als Professor für Physik an der Fordham University in New York. Nach dem Zweiten Weltkrieg befasste er sich mit der Messung des radioaktiven Fallouts nach Atombombentests und Problemen des Strahlenschutzes.

 

 Andersons Positron

 

Carl David Anderson wuchs in Los Angeles auf und studierte am California Institute of Technology, wo er Assistent von Robert Millikan (Nobelpreis 1923) wurde. Auf dessen Vorschlag hin baute er eine auf Charles Wilson (Nobelpreis 1927) zurückgehende Nebelkammer, um die Spuren von Elektronen zu untersuchen, die durch die kosmische Strahlung erzeugt werden. Die Nebelkammer wurde einem starken Magnetfeld ausgesetzt, wodurch die verschiedenen, mit der Strahlung einfallenden Elementarteilchen entsprechend ihrer unterschiedlichen Masse und Ladung abgelenkt wurden. Die Bahnspuren der Teilchen wurden fotografiert und ausgewertet. Dabei entdeckte Anderson 1932 eine Spur, deren Ionisierung und Bahnkrümmung der eines Elektrons entsprach, jedoch verlief die Krümmung in umgekehrter Richtung. Dieses ließ sich nur erklären, wenn man die Existenz eines Antiteilchens zum Elektron annahm.

 

Schon Ende der 1920er-Jahre hatte der britische Physiker Paul Dirac (Nobelpreis 1933) aufgrund theoretischer Überlegungen im Rahmen seiner relativistischen Quantenmechanik die Existenz eines Antiteilchens vorausgesagt. Diese Dirac'sche »Unterwelt« hatte nun ihre Existenz in der realen physikalische Welt eindrucksvoll demonstriert.

 

Die Entdeckung des Positrons war der erste Nachweis von Antimaterie. Das Positron ist das Antiteilchen des Elektrons, das heißt, es besitzt dieselbe Masse wie das Elektron, trägt aber im Gegensatz zu diesem eine positive Ladung. Positronen sind sehr schwer nachzuweisen, da sie in Gegenwart von Materie sofort mit Elektronen reagieren. Beide Teilchen zerstrahlen (annihilieren) in der Regel in zwei Gammaquanten von mindestens 0,51 Megaelektronenvolt, der Energie, die nach der Einstein'schen Masse-Energie-Äquivalenz der Elektronenmasse entspricht. Die Aussendung von Positronen, die auch als b⁺-Strahlung bezeichnet wird, ist deshalb in der Regel immer von Gammastrahlung der Energie 0,51 Megavolt begleitet.

 

Die Identifizierung des Positrons wurde zunächst ungläubig aufgenommen, doch kurze Zeit später konnten Irène und Frédéric Joliot-Curie (Nobelpreis für Chemie 1935) den Umkehrprozess zur Annihilation, die fundamentale Elektron-Positron-Paarbildung nachweisen. Erst nun konnte endgültig die berühmte Formel Albert Einsteins (Nobelpreis 1921), die die Gleichwertigkeit von Masse und Energie postuliert, bestätigt werden.

 

Im Jahr seiner Nobelpreisverleihung schließlich entdeckte Anderson zusammen mit seinem amerikanischen Assistenten Seth Neddermeyer das so genannte »Myon«. Noch bevor Anderson während des Zweiten Weltkriegs zwischenzeitlich in der Raketenforschung tätig wurde, konnte er so mit dem Existenznachweis des ersten Elementarteilchen, das nicht zu den unmittelbaren Grundbausteinen (Elektron, Proton, Neutron) der Materie gehört, auch einen wichtigen Beitrag zur Begründung der Elementarteilchenphysik leisten.

 

M. Schaaf