[物理史] 蓋革計數器的發明

蓋革計數器的發明
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2012年6月）

蓋革（Hans Geiger）

要討論原子的歷史，若不提及拉塞福（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木生（J. J. Thomson）更早的梅子布丁原子模型，奠下波耳（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，拉塞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 $$\alpha$$ 輻射。

蓋革出生於 1882 年，父親是德國埃蘭根大學（University of Erlangen）的哲學教授，家中共有五個小孩。年輕的蓋革在慕尼黑大學研讀物理，畢業後服德國兵役，再到埃蘭根大學上研究所，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，在曼徹斯特大學拉塞福的實驗室擔任實驗室助理。

蓋革和拉塞福一起做研究，他證明在鈾的放射性衰變中，被釋出兩種不同能量的 $$\alpha$$ 粒子，是源自兩種不同的同位素，而導致他和努塔（J. M. Nuttall）於 1912 年一起得出蓋革-努塔定律，說明 $$\alpha$$ 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，拉塞福希望設計一個實驗，來偵測 $$\alpha$$ 粒子束撞擊標靶後散射的電荷，以確定 $$\alpha$$ 粒子帶有兩個正電荷。和拉塞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 $$\alpha$$ 粒子射到螢幕上，螢幕可以偵測到引發出閃光的 $$\alpha$$ 粒子。

但是，他們要如何能準確地計數每分鐘打在螢幕上的閃光數目呢？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 分鐘，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。$$\alpha$$ 粒子並未如當湯木生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 $$\alpha$$ 粒子朝發射源彈回來。拉塞福回想說：「這就好像你朝著一張面紙發射一枚 15 吋的砲彈，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螢幕上的閃光，1911 年，他發明了在正常亮度下自動計數輻射 $$\alpha$$ 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 $$\alpha$$ 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，但後來爆發了第二次世界大戰，阻礙了科學的發展，所以他改去當德軍的砲兵軍官。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土賓根大學任職，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謬勒（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-謬勒計數器不像早期的裝置只能偵測 $$\alpha$$ 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，德國祕密發展與製造核武器的計畫。這個計畫在決策當局於 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）被盟軍占領，他被迫逃至波茨坦（Potsdam）。本就羸弱，他在那裏於 1945 年 9 月 24 日病逝，享壽 62 歲。

原文刊載於物理雙月刊2013年6月號35卷第3期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。