Ilja Frank hat gemeinsam mit Igor Tamm erklärt, warum schnelle Teilchen in Wasser oder Glas ein bläuliches Leuchten erzeugen können. Geboren am 23. Oktober 1908 in Sankt Petersburg, gestorben am 22. Juni 1990 in Moskau, erhielt der sowjetische Physiker 1958 zusammen mit Pawel Tscherenkow und Igor Tamm den Nobelpreis für Physik, sinngemäß für die Entdeckung und die Deutung des Tscherenkow-Effekts. Es war der erste Physiknobelpreis für Forscher aus der Sowjetunion. Das Phänomen, das sie beschrieben, ist bis heute eine der wichtigsten Methoden, um energiereiche Teilchen nachzuweisen, von Teilchenbeschleunigern bis zu riesigen Neutrino-Teleskopen im Eis der Antarktis.
Herkunft und Ausbildung
Ilja Michailowitsch Frank stammte aus einer Gelehrtenfamilie. Sein Vater Michail Frank war Mathematikprofessor, seine Mutter Ärztin. Sein Onkel Semjon Frank war ein bekannter Philosoph, der 1922 mit anderen Intellektuellen aus Sowjetrussland ausgewiesen wurde. Ilja Frank studierte ab 1926 an der Moskauer Staatlichen Universität Physik und Mathematik und wurde Schüler von Sergei Wawilow, einem Experten für Lumineszenz, also für das Leuchten von Stoffen. Nach dem Abschluss 1930 arbeitete er einige Jahre am Staatlichen Optischen Institut in Leningrad und kam 1934 an das Lebedew-Institut für Physik der Akademie der Wissenschaften (FIAN) in Moskau, das Wawilow leitete.
Ein rätselhaftes blaues Leuchten
Im selben Jahr beobachtete Pawel Tscherenkow, ein Doktorand Wawilows, ein merkwürdiges Phänomen. Wenn er Flüssigkeiten mit der Gammastrahlung radioaktiver Stoffe bestrahlte, gaben sie ein schwaches blaues Licht ab. Zunächst lag die Vermutung nahe, es handle sich um Lumineszenz, also um Fluoreszenz der Flüssigkeit. Tscherenkow zeigte aber, dass das Leuchten praktisch nicht von der Art der Flüssigkeit abhing, sich nicht durch übliche Mittel löschen ließ, die Fluoreszenz unterdrücken, und eine ausgeprägte Richtung hatte. Wawilow folgerte, dass die Ursache nicht die Gammastrahlung selbst, sondern schnelle Elektronen sein müssten, die sie aus den Atomen herausschlägt. Was genau dabei geschah, blieb aber offen.
Die Erklärung von Frank und Tamm
1937 lieferten Ilja Frank und Igor Tamm die Theorie. Ihr Kerngedanke lässt sich mit einem Bild aus dem Alltag veranschaulichen. Fliegt ein Flugzeug schneller als der Schall, eilt es seinen eigenen Schallwellen voraus. Die Wellen stauen sich zu einem Kegel, und am Boden hört man einen Überschallknall. Ähnlich entsteht eine Bugwelle, wenn ein Boot schneller fährt als die Wellen auf dem Wasser.
Licht bewegt sich im Vakuum mit der höchsten möglichen Geschwindigkeit, die kein Teilchen erreichen kann. In einem Stoff wie Wasser oder Glas ist das Licht jedoch langsamer, in Wasser etwa um ein Viertel. Ein sehr schnelles Elektron kann daher in Wasser schneller sein als das Licht in Wasser, ohne gegen die Relativitätstheorie zu verstoßen. Auf seinem Weg bringt das geladene Teilchen die umliegenden Atome kurz in Schwingung, und diese senden schwache Lichtwellen aus. Weil das Elektron schneller ist als diese Wellen, überlagern sie sich zu einer Art optischer Bugwelle, einem Lichtkegel. Das ist das Tscherenkow-Licht.
Die Theorie von Frank und Tamm sagte genau voraus, unter welchem Winkel das Licht abgestrahlt wird: Je schneller das Teilchen, desto weiter öffnet sich der Kegel. Außerdem erklärte sie, warum das Licht vor allem im blauen und ultravioletten Bereich liegt und wie viel Energie das Teilchen dabei verliert. Tscherenkows Messungen bestätigten diese Vorhersagen in allen Einzelheiten.
Warum das wichtig ist
Mit der Theorie wurde der Effekt zu einem Messinstrument. Wenn man den Winkel des Lichtkegels misst, kann man die Geschwindigkeit eines Teilchens bestimmen. Nur Teilchen oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit erzeugen überhaupt Licht, sodass sich langsamere herausfiltern lassen. Daraus entstanden die Tscherenkow-Zähler, die in der Teilchenphysik zum Standard gehören. Ein berühmtes Beispiel ist die Entdeckung des Antiprotons 1955 in Berkeley durch Emilio Segrè und Owen Chamberlain, bei der Tscherenkow-Detektoren eine wichtige Rolle spielten.
Heute nutzen auch große Neutrino-Experimente den Effekt. Im japanischen Super-Kamiokande-Detektor, einem unterirdischen Tank mit 50.000 Tonnen reinstem Wasser, oder im IceCube-Observatorium, das einen Kubikkilometer Eis am Südpol als Detektor verwendet, verraten winzige Lichtblitze, dass ein Neutrino ein geladenes Teilchen erzeugt hat. Teleskope auf der Erde beobachten außerdem das Tscherenkow-Licht, das entsteht, wenn energiereiche Gammastrahlung aus dem All in die Atmosphäre eindringt. Das bekannte blaue Leuchten im Wasserbecken von Forschungsreaktoren ist ebenfalls Tscherenkow-Strahlung.
Weitere Arbeiten
Frank war ein vielseitiger Forscher. Gemeinsam mit Vitaly Ginzburg sagte er 1945 die Übergangsstrahlung voraus, die entsteht, wenn ein geladenes Teilchen die Grenze zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften durchquert. Auch dieser Effekt wird heute in Detektoren genutzt. Frank untersuchte außerdem die Entstehung von Elektron-Positron-Paaren durch Gammastrahlung und beschäftigte sich während des Zweiten Weltkriegs und danach mit der Physik von Kernreaktoren, insbesondere mit der Frage, wie sich Neutronen in Uran-Graphit-Anordnungen ausbreiten. Diese Arbeiten waren Teil des sowjetischen Atomprogramms.
1944 wurde er Professor an der Moskauer Staatlichen Universität. 1957 gründete er am Vereinigten Institut für Kernforschung in Dubna bei Moskau das Laboratorium für Neutronenphysik, das er bis zu seinem Tod leitete. Dort entstand unter seiner Leitung ein besonderer gepulster Forschungsreaktor, mit dem sich kurze, intensive Neutronenblitze für Experimente erzeugen ließen. Das Laboratorium trägt heute seinen Namen.
Der Nobelpreis 1958
Die Verleihung an Tscherenkow, Tamm und Frank war für die sowjetische Wissenschaft ein bedeutender Moment. Bis dahin hatte nur der Chemiker Nikolai Semjonow 1956 einen naturwissenschaftlichen Nobelpreis für die Sowjetunion erhalten. Bemerkenswert ist der lange Abstand von über zwanzig Jahren zwischen Entdeckung und Auszeichnung; die Bedeutung des Effekts als Messverfahren war erst nach dem Krieg in vollem Umfang deutlich geworden. Sergei Wawilow, der die Forschung angeregt und das Leuchten richtig auf schnelle Elektronen zurückgeführt hatte, war bereits 1951 gestorben und konnte daher nicht mehr ausgezeichnet werden. In der russischen Literatur heißt der Effekt deshalb oft Wawilow-Tscherenkow-Effekt.
Eine Rechnung mit klassischen Mitteln
Bemerkenswert an der Theorie von Frank und Tamm ist, dass sie ohne Quantenmechanik auskam. Die beiden behandelten das schnelle Elektron als geladenes Teilchen, das sich gleichmäßig durch ein Medium bewegt, und wendeten die Gleichungen der klassischen Elektrodynamik an, die James Clerk Maxwell im 19. Jahrhundert aufgestellt hatte. Entscheidend war nur, die Lichtgeschwindigkeit im Medium richtig zu berücksichtigen. Im Rückblick wirkt die Lösung fast einfach, doch vor 1937 war niemand auf diese Idee gekommen. Tatsächlich hatte der britische Physiker Oliver Heaviside schon Ende des 19. Jahrhunderts ähnliche Überlegungen angestellt, die aber in Vergessenheit geraten waren. Später zeigte Ginzburg, dass auch eine quantenmechanische Behandlung zu denselben Ergebnissen führt, ergänzt um kleine Korrekturen.
Frank selbst betonte in späteren Jahren, dass die Arbeit ein Beispiel dafür sei, wie eng experimentelle Beobachtung und theoretisches Verständnis zusammenwirken müssen. Tscherenkow hatte mit großer Sorgfalt Daten gesammelt, die ohne Theorie rätselhaft geblieben wären; die Theorie wiederum hätte ohne diese Daten keinen Prüfstein gehabt.
Persönlichkeit und Erbe
Frank galt als zurückhaltender, gründlicher Wissenschaftler, der sich für Lehre und Wissenschaftsgeschichte interessierte. Er schrieb über seinen Lehrer Wawilow und über die Entstehung der Theorie des Tscherenkow-Effekts. 1968 wurde er Vollmitglied der Akademie der Wissenschaften der UdSSR.
Ilja Frank starb am 22. Juni 1990 in Moskau. Für Sie als Laie ist sein Erbe vielleicht am anschaulichsten im Bild des blauen Leuchtens in einem Reaktorbecken. Dahinter steht eine Erkenntnis, die zeigt, wie aus einem unscheinbaren Laborbefund mit der richtigen Theorie ein Werkzeug wird, mit dem Forschende heute Teilchen aus den Tiefen des Weltalls aufspüren. Die Begründung finden Sie auf der Seite zum Nobelpreis für Physik 1958.
Stand: 29.10.2026