蓋革計數器的發明

蕭如珀、 楊信男/譯

譯自APS News，2012 年6 月

原標題：《1911年6月：蓋革計數器的發明》

要討論原子的歷史，若不提及盧瑟福（Ernest B. Rutherford） 於1909 年所帶領完成之著名的金箔實驗是不可能的，那是第一次以實驗證明原子核的存在。實驗的結果推翻了湯姆孫（J. J. Thomson）更早的梅子布丁原子模型，奠下玻耳（Niels Bohr）發展其原子模型的基礎，直至今日在教學上都扮演著重要的角色。那次實驗重要的一個因素是，盧瑟福的實驗室助理蓋革（Hans Geiger）發明了一個可靠的儀器，可以測量α輻射。

蓋革

蓋革出生於1882 年， 父親是德國埃朗根大學（University of Erlangen）的哲學教授，家中共有5 個小孩。年輕的蓋革在慕尼黑大學研讀物理，畢業後服德國兵役，再到埃朗根大學上研究所，1906年獲得博士學位，論文研究經由氣體的放電現象。蓋革之後到英格蘭，在曼徹斯特大學盧瑟福的實驗室擔任實驗室助理。

蓋革和盧瑟福一起做研究，他證明在鈾的放射性衰變中，被釋出兩種不同能量的α粒子，是源自兩種不同的同位素，而導致他和努塔爾（J. M. Nuttall）於1912 年一起得出蓋革- 努塔爾定律，說明α粒子的幅射時間常數和行走距離的對數之間具有線性關係。

為了研究原子的結構，盧瑟福希望設計一個實驗，來偵測α粒子束撞擊標靶後散射的電荷，以確定α粒子帶有兩個正電荷。和盧瑟福的一位大學部學生瑪斯登（Ernest Marsden）一起工作後，蓋革設計出一個巧妙的裝置，將穿過金箔後的α粒子射到屏幕上，屏幕可以偵測到引發出閃光的α粒子。

但是，他們要如何能準確地計數每分鐘打在屏幕上的閃光數目呢？起先，他們使用顯微鏡，繞著金箔轉動，輪流數閃光。然而，這對眼睛很辛苦，因為必須要先坐在黑暗的實驗室30 分鐘，讓眼睛調適，而每一個觀測者通常只能精確地數大約1 min，就必須換人。

雖然如此，他們還是堅持不懈，金箔實驗的結果現在看來很神奇。α粒子並未如當湯姆孫的梅子布丁原子模型是正確時，可預期會僅僅以些微的偏斜通過金箔，反而是有一些α粒子朝發射源彈回來。盧瑟福回想說：「這就好像你朝著一張面紙發射一枚15英寸的炮彈，它卻被彈回來，擊中你一樣。」顯然是需要新的原子模型了。

蓋革仍認為應該有更好的方法來偵測屏幕上的閃光，1911 年，他發明了在正常亮度下自動計數輻射a 粒子的裝置。此計數器使用克魯克斯管（Crooke』s tube） 做為一個電極，管中央放置一個細的電線做為第二個電極。當施用電壓時，任何通過的α 輻射會將氣體離子化，電子會急速增加，靜電計即可記錄每一個通過的粒子。

1914 年，蓋革回到德國，起初是要負責德國國家科技研究院的輻射研究，但後來爆發了第一次世界大戰，阻礙了科學的發展，所以他改去當德軍的炮兵軍官。前線戰壕惡劣的環境讓人付出代價：蓋革感染了痛苦的風濕病，折磨他一輩子。戰後，蓋革回到研究崗位，先後在德國基爾大學和圖賓根大學任職，之後於1936 年在柏林科技大學任物理講座教授。

蓋革在基爾任職時和他的博士班學生米勒（Walther Muller）合作，改進他原先的計數器裝置，使其更有效率、敏感、輕便、耐用。新型改良式的蓋革- 米勒計數器不像早期的裝置只能偵測α 粒子，它可以偵測許多種的離子化輻射。他使用他小小的新裝置於1925 年證實了光量子的存在，後來又發現了宇宙線射叢，是他往後科學生涯的研究重心。

之後，歷經希特勒崛起以及國家社會黨的殘酷政策，終於爆發了第二次世界大戰，導致整個世代德國物理學家的毀滅。蓋革批判大學流於政治化，和74 名同事簽署了請願書，強烈要求新政府不要干預他們的研究，但沒甚麼用。至於當時受圍困的猶太同事，有許多人被迫逃離德國，蓋革對此立場是協助或是抵制的傳聞不一。

蓋革也加入了所謂的「鈾工程」，這是1939 年發現原子核分裂後，德國秘密發展與製造核武器的計劃。這個計劃在決策當局於1942 年認定（是錯誤的），核分裂無法對結束戰爭扮演主要的角色，並將投入的科學家調至其他被認為更緊急的研究部門後，變得支離破碎。

蓋革長期的風濕病在晚年時更加惡化，他只活到看見納粹政權的垮台。就在他的健康似乎有些進步時，他的老家巴貝斯堡（Babelbsberg）被盟軍佔領，他被迫逃至波茨坦（Potsdam）。本就羸弱，他在那裡於1945 年9 月24日病逝，享壽62 歲。

來源：《現代物理知識》第25卷第3期

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