图:佚名,1928(公有领域)
汉斯·盖革
Hans Geiger1882–1945 · 生于德国诺伊施塔特(今莱茵兰-普法尔茨州) · 德国
把「在暗室里用眼睛数闪光」换成「让仪器自己响一声」——原子核就是从他数出来的那几颗反弹粒子里冒出来的
二十世纪的物理里有一种声音人人都认得:滴、滴、滴滴滴。它出自一根玻璃管,管里充着气,管中央拉着一根细丝。这根管子背后的人,一生做的都是同一件事——把「看不见」变成「数得清」。
在暗室里数闪光
1907 年他到曼彻斯特的时候,测量放射性的办法是这样的:把硫化锌屏放在放射源前面,实验者在完全黑暗的房间里坐上半小时让眼睛适应,然后凑到显微镜前,数屏上一闪一闪的亮点。每颗 α 粒子撞上屏幕就是一次闪光。
这是当时唯一能「一颗一颗」看到粒子的办法,也是件苦差事:数上两分钟就得休息,数据的可靠性取决于人的眼睛和耐心。卢瑟福自己数不好,脾气上来会骂人。盖革数得极好——卢瑟福说他是数闪光的魔鬼,可以整夜数下去而心平气和。
盖革想的是另一件事:能不能让粒子自己报数。1908 年他与卢瑟福做出了第一台电学计数器:α 粒子穿过一个加了高压的气体管,把气体电离,电离出的电子在强电场里一路撞出更多电子,一颗粒子于是变成一个能推动电位计的电脉冲。人只要读指针,不必再瞪着屏幕。
八千分之一
1909 年,卢瑟福让盖革带着本科生马斯登去做一件当时看来没什么指望的事:看看 α 粒子打在金箔上,会不会有极少数被反弹回来。
盖革数出来了。大约每八千颗里有一颗,散射角超过九十度。卢瑟福后来说,这就像你朝一张卫生纸打出一发十五英寸的炮弹,炮弹却弹回来打中了你。
那不是一晚上的事。此后三年,盖革与马斯登系统地量了散射数随角度、随箔厚、随靶材原子量的变化,一条一条对上了卢瑟福 1911 年推出的散射公式。原子有核这个结论,是靠这几万次计数一点一点压实的。
一根会响的管子
1912 年他回了德国,在帝国物理技术研究院主持放射性实验室。计数器一直在改,问题也一直在:早期的管子只对 α 粒子灵,还娇气,容易自己乱放电。
1928 年在基尔,他与学生穆勒解决了它。新的管子用圆筒做阴极、中轴细丝做阳极,充上合适的气体、加到合适的电压,任何一点电离都会在管内引发一次遍及全管的放电,输出一个大到不必放大就能听见的脉冲;放电随即自行熄灭,等着下一颗。
盖革-穆勒计数管对 α、β、γ 一视同仁,造价低廉,坏了就换,不需要暗室也不需要好眼力。此后的宇宙线研究、核物理实验、辐射防护、铀矿勘探,用的都是它。布莱克特与奥恰利尼把两支计数管上下夹住云室,只在真有粒子穿过时才拍照,正电子的照片就是这么攒出来的——这个「让廉价探测器替昂贵探测器做决定」的思路,今天的大型对撞机仍在用。
逐个事件的守恒
1924 年,玻尔、克拉默斯与斯莱特提出了一个险棋式的理论:为了保住光的经典波动图像,他们提议能量与动量在单次原子过程中不必守恒,只要统计平均上成立就行。
这是个能被实验判死的提议,判法就在盖革手里。他与博特把一台探测散射光子的计数器和一台探测反冲电子的计数器并排放好,测两台同时响的次数。如果守恒只在平均意义上成立,两边就是各响各的,同时响纯属碰巧,次数由那个偶然符合公式给出;如果每一次散射都守恒,光子与电子必然成对出现,同时计数会远高于偶然值。
结果是后者。玻尔当年就收回了那个理论。更要紧的是方法本身:把「同时」当成一个可测量量。符合法从此成了粒子物理的基本手艺,博特 1954 年因此得了诺贝尔奖。盖革没有——他 1945 年就去世了,而诺贝尔奖不追授。
一封冷淡的回信
1933 年 4 月,纳粹的公职人员法把犹太血统的学者赶出大学。在图宾根,被赶走的是盖革的助手、二十六岁的贝特。
贝特写信向他求助。盖革的回信冷淡,没有给任何余地。后来是索末菲把奖学金还给了贝特,贝特由此去了英国,再去康奈尔,四十年后拿到诺贝尔奖。
三年后的 1936 年,面对「德意志物理学」对理论物理的公开攻击,盖革又与海森堡、马克斯·维恩一起起草了一份备忘录递交帝国教育部,七十五位物理学家联署,说理论物理与实验物理本是一体,攻击应当停止。(这位是马克斯·维恩,不是提出维恩位移定律的威廉·维恩。)1939 年,他参加了德国铀计划的第一次会议。
这三件事出自同一个人。他不是纳粹,为学科的自由辩护过,却在一个具体的人求到面前时把门关上了。
战争末期他患上严重的风湿,几乎无法行走。1945 年 6 月住宅被征用,一家人搬进临时住处;9 月 24 日,他在波茨坦去世,离六十三岁生日还差六天。那时他的名字已经变成了一个仪器的名字——今天世界上大多数人听说过盖革,却说不出他做过什么。
代表方程
盖革-努塔尔定律
是 α 衰变常数(衰变得多快), 是放出的 α 粒子在空气中能走多远(能量有多高)。1911 年盖革与努塔尔发现两者的对数成直线关系,斜率 对三条天然放射系都一样,只有截距 各不相同。这条经验直线跨度骇人:半衰期从微秒到上百亿年,二十多个数量级,而 α 粒子的能量只差一倍出头。为什么这么一点能量差能造成这么大的寿命差?1928 年伽莫夫给出答案——α 粒子是隧穿出来的,穿透概率对能量呈指数敏感。这是量子力学第一次解释一条经验定律。
符合法的判据
两台计数器,各自的计数率是 与 ,分辨时间是 。纯属碰巧同时响的次数就是这个式子——它可以算出来,也可以把两台计数器指向不相干的方向直接测出来。如果实测的同时计数远高于它,那就只能是同一个事件同时触发了两台仪器。1924—1925 年博特与盖革靠这一条判了案:康普顿散射里飞出的光子与电子是逐次成对出现的,动量守恒在每一个单独事件上都成立。符合法此后成了粒子物理最基本的手艺,博特 1954 年为它得了诺贝尔奖。
伟大发现
出处
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