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[物理史] 盖革计数器的发明

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发布于:2020-06-10



(译自APS News,2012年6月)

[物理史] 盖革计数器的发明

盖革(Hans Geiger)

要讨论原子的历史,若不提及拉塞福(Ernest B. Rutherford)于 1909 年所带领完成之着名的金箔实验是不可能的,那是第一次以实验证明原子核的存在。实验的结果推翻了汤木生(J. J. Thomson)更早的梅子布丁原子模型,奠下波耳(Niels Bohr)发展其原子模型的基础,直至今日在教学上都扮演着重要的角色。那次实验重要的一个因素是,拉塞福的实验室助理盖革(Hans Geiger)发明了一个可靠的仪器,可以测量 $$\alpha$$ 辐射。

盖革出生于 1882 年,父亲是德国埃兰根大学(University of Erlangen)的哲学教授,家中共有五个小孩。年轻的盖革在慕尼黑大学研读物理,毕业后服德国兵役,再到埃兰根大学上研究所,1906 年获得博士学位,论文研究经由气体的放电现象。盖革之后到英格兰,在曼彻斯特大学拉塞福的实验室担任实验室助理。

盖革和拉塞福一起做研究,他证明在铀的放射性衰变中,被释出两种不同能量的 $$\alpha$$ 粒子,是源自两种不同的同位素,而导致他和努塔(J. M. Nuttall)于 1912 年一起得出盖革-努塔定律,说明 $$\alpha$$ 粒子的幅射时间常数和行走距离的对数之间具有线性关係。

为了研究原子的结构,拉塞福希望设计一个实验,来侦测 $$\alpha$$ 粒子束撞击标靶后散射的电荷,以确定 $$\alpha$$ 粒子带有两个正电荷。和拉塞福的一位大学部学生玛斯登(Ernest Marsden)一起工作后,盖革设计出一个巧妙的装置,将穿过金箔后的 $$\alpha$$ 粒子射到萤幕上,萤幕可以侦测到引发出闪光的 $$\alpha$$ 粒子。

但是,他们要如何能準确地计数每分钟打在萤幕上的闪光数目呢?起先,他们使用显微镜,绕着金箔转动,轮流数闪光。然而,这对眼睛很辛苦,因为必须要先坐在黑暗的实验室 30 分钟,让眼睛调适,而每一个观测者通常只能精确地数大约 1 分钟,就必须换人。

虽然如此,他们还是坚持不懈,金箔实验的结果现在看来很神奇。$$\alpha$$ 粒子并未如当汤木生的梅子布丁原子模型是正确时,可预期会仅仅以些微的偏斜通过金箔,反而是有一些 $$\alpha$$ 粒子朝发射源弹回来。拉塞福回想说:「这就好像你朝着一张面纸发射一枚 15 吋的砲弹,它却被弹回来,击中你一样。」显然是需要新的原子模型了。

盖革仍认为应该有更好的方法来侦测萤幕上的闪光,1911 年,他发明了在正常亮度下自动计数辐射 $$\alpha$$ 粒子的装置。此计数器使用克鲁克斯管(Crooke’s tube)做为一个电极,管中央放置一个细的电线做为第二个电极。当施用电压时,任何通过的 $$\alpha$$ 辐射会将气体离子化,电子会急速增加,静电计即可记录每一个通过的粒子。

1914 年,盖革回到德国,起初是要负责德国国家科技研究院的辐射研究,但后来爆发了第二次世界大战,阻碍了科学的发展,所以他改去当德军的砲兵军官。前线战壕恶劣的环境让人付出代价:盖革感染了痛苦的风湿病,折磨他一辈子。战后,盖革回到研究岗位,先后在德国基尔大学和土宾根大学任职,之后于 1936 年在柏林科技大学任物理讲座教授。

盖革在基尔任职时和他的博士班学生谬勒(Walther Muller)合作,改进他原先的计数器装置,使其更有效率、敏感、轻便、耐用。新型改良式的盖革-谬勒计数器不像早期的装置只能侦测 $$\alpha$$ 粒子,它可以侦测许多种的离子化辐射。他使用他小小的新装置于 1925 年证实了光量子的存在,后来又发现了宇宙线射丛,是他往后科学生涯的研究重心。

之后,历经希特勒崛起以及国家社会党的残酷政策,终于爆发了第二次世界大战,导致整个世代德国物理学家的毁灭。盖革批判大学流于政治化,和 74 名同事签署了请愿书,强烈要求新政府不要干预他们的研究,但没甚幺用。至于当时受围困的犹太同事,有许多人被迫逃离德国,盖革对此立场是协助或是抵制的传闻不一。

盖革也加入了所谓的「铀工程」,这是 1939 年发现原子核分裂后,德国祕密发展与製造核武器的计画。这个计画在决策当局于 1942 年认定(是错误的),核分裂无法对结束战争扮演主要的角色,并将投入的科学家调至其他被认为更紧急的研究部门后,变得支离破碎。

盖革长期的风湿病在晚年时更加恶化,他只活到看见纳粹政权的垮台。就在他的健康似乎有些进步时,他的老家巴贝斯堡( Babelbsberg)被盟军占领,他被迫逃至波茨坦(Potsdam)。本就羸弱,他在那裏于 1945 年 9 月 24 日病逝,享寿 62 岁。


原文刊载于物理双月刊2013年6月号35卷第3期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。

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