Η ανακάλυψη του απαριθμητή Geiger

Η αλληλεπίδραση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ή των φορτισμένων σωματιδίων με την ύλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να την ανίχνευση της ακτινοβολίας ενός ραδιενεργού υλικού ή των προϊόντων μιας πυρηνικής αντίδρασης. Oι διατάξεις που εκμεταλλεύονται την ιδιότητα αυτή και χρησιμοποιούνται στα πειράματα πυρηνικής φυσικής ή στην καταμέτρηση της ραδιενέργειας ονομάζονται ανιχνευτές.

Ένας από τους πρώτους ανιχνευτές κατασκευάστηκε πριν από 105 χρόνια από τον Γερμανό φυσικό Hans Geiger.

Το πείραμα του Rutherford

Geiger και Rutherford

Μια συζήτηση για την ιστορία της ανακάλυψης της δομής του ατόμου είναι αδύνατη χωρίς την αναφορά στο περίφημο πείραμα του Rutherford το 1909. Μέχρι τότε κυριαρχούσε το μοντέλο του Thomson, του επιστήμονα που είχε ανακαλύψει το ηλεκτρόνιο. Σύμφωνα με το πρότυπο του Thomson το άτομο αποτελείται από μια σφαίρα θετικού φορτίου, ομοιόμορφα κατανεμημένου, μέσα στο οποίο είναι ενσωματωμένα τα ηλεκτρόνια, όπως οι σταφίδες μέσα σε ένα σφαιρικό σταφιδόψωμο.
Στα πειράματα του Rutherford μια δέσμη θετικά φορτισμένων σωματίων άλφα (πυρήνες ηλίου) κατευθύνονταν σε λεπτό μεταλλικό φύλλο χρυσού (στόχος). Σύμφωνα με το πρότυπο του Thomson, η δέσμη των σωματίων α δεν θα έπρεπε έχει σημαντική απόκλιση.

Ο Rutherford παρατήρησε ότι τα περισσότερα από τα σωμάτια α διέρχονται μέσα από το στόχο σχεδόν ανεπηρέαστα, σαν να κινούνται μέσα σε σχεδόν κενό χώρο. Μερικά όμως απέκλιναν κατά 180°. Αυτό θα μπορούσε να συμβεί μόνο, αν το θετικό φορτίο είναι συγκεντρωμένο σε μικρό χώρο, ώστε να ασκεί στα σωμάτια α μεγάλες απωστικές ηλεκτρικές δυνάμεις.

Για να ερμηνεύσει ο Rutherford τις παρατηρήσεις του, πρότεινε ένα πρότυπο σύμφωνα με το οποίο: Το άτομο αποτελείται από μία πολύ μικρή περιοχή στην οποία είναι συγκεντρωμένο όλο το θετικό φορτίο και σχεδόν όλη η μάζα του ατόμου. Η περιοχή αυτή ονομάζεται πυρήνας. Ο πυρήνας περιβάλλεται από ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια πρέπει να κινούνται γύρω από τον πυρήνα σε κυκλικές τροχιές, όπως οι πλανήτες γύρω από τον Ήλιο, γιατί, αν ήταν ακίνητα, θα έπεφταν πάνω στον πυρήνα εξαιτίας της ηλεκτρικής έλξης που δέχονται από αυτόν.

(α) Τα σωμάτια α αποκλίνουν κατά μικρή γωνία σύμφωνα με το πρότυπο του Thomson. (β) Τα σωμάτια α αποκλίνουν κατά μεγάλη γωνία σύμφωνα με το πρότυπο τον Rutherford.

Το «πλανητικό» μοντέλο του Rutherford  άνοιξε το δρόμο στον Niels Bohr για να αναπτύξει το δικό του ατομικό πρότυπο, το οποίο σήμερα παίζει σημαντικό παιδαγωγικό ρόλο.
Κρίσιμο ρόλο στο πείραμα Rutherford έπαιξε και ο βοηθός του, ο Hans Geiger.

Ο απαριθμητής Geiger

Ο Hans Geiger γεννήθηκε το 1882 στο Erlangen της Γερμανίας και σπούδασε φυσική στο πανεπιστήμιο του Μονάχου. Μετά την ολοκλήρωση της διδακτορικής του διατριβής σχετικά με τις ηλεκτρικές εκκενώσεις των αερίων, μετακόμισε στην Αγγλία για να εργαστεί στο εργαστήριο του Rutherford, στο Πανεπιστήμιο του Manchester. Εκεί ο Geiger, σε συνεργασία με τον Ernest Marsden, συμμετείχαν στο περίφημο πείραμα του Rutherford, όπου τα σωματίδια άλφα ανιχνεύονταν αρχικά ως σπινθηρισμοί φωτός σε μια οθόνη.

Για πολλά χρόνια μετά την έναρξη της έρευνας του ατομικού πυρήνα, κύριο όργανο για την ανίχνευση ακτινοβολίας υπήρξε ο ανθρώπινος οφθαλμός. Αρκετά νωρίς στην ιστορία της Πυρηνικής Φυσικής ανακαλύφθηκε ότι σωμάτια α, που προκαλούν τον ισχυρότερο ιονισμό από όλα τα παράγωγα της φυσικής ακτινοβολίας, δημιουργούν σπινθηρισμούς όταν προσπίπτουν σε ορισμένα υλικά. Ο σπινθηρισμός αυτός είναι αρκετά ισχυρός ώστε με τη βοήθεια μικροσκοπίου να είναι δυνατή η παρατήρηση και καταμέτρηση μεμονωμένων σωματίων. Πολλά από τα κλασικά πειράματα, όπως το πείραμα του Rutherford, που έδωσαν τις πρώτες βασικές πληροφορίες γύρω από την ατομική δομή, το μέγεθος του πυρήνα ή τους μηχανισμούς αποδιέγερσης πραγματοποιήθηκαν με τον τρόπο αυτό.

Λέγεται μάλιστα ότι σε αρκετά ερευνητικά εργαστήρια των αρχών του αιώνα, ένα από τα καθοριστικά κριτήρια για την πρόσληψη ερευνητών στην έρευνα της Πυρηνικής Φυσικής ήταν η επίδοσή τους στην παρατήρηση και ορθή καταμέτρηση σπινθηρισμών από ακτινοβολία α.
Η οπτική παρατήρηση σπινθηρισμών απαιτούσε μεγάλη υπομονή. Για να γίνει με ακρίβεια έπρεπε στο εργαστήριο να επικρατεί απόλυτο σκοτάδι και ο παρατηρητής έπρεπε να  περιμένει αρκετή ώρα στο σκοτάδι για να προσαρμοστούν τα μάτια του.

Ο Geiger αναζήτησε έναν καλύτερο τρόπο για τη μέτρηση των σπινθηρισμών και το 1911 εφηύρε μια συσκευή αυτόματης καταμέτρησης των σωματιδίων άλφα σε κανονικό φως. Χρησιμοποίησε έναν κυλινδρικό σωλήνα ως ένα ηλεκτρόδιο και ένα λεπτό σύρμα που διατρέχει τον άξονα του σωλήνα ως ένα δεύτερο ηλεκτρόδιο. Εφαρμόζοντας ηλεκτρική τάση μεταξύ του σωλήνα και του σύρματος, στο εσωτερικό του σωλήνα που περιείχε αέριο, δημιουργούνταν ένα στατικό ηλεκτρικό πεδίο. Η διέλευση ενός σωματιδίου άλφα από τον σωλήνα προκαλούσε ιονισμό των ατόμων του αερίου.  Η παρουσία του ηλεκτρικού πεδίου έχει ως αποτέλεσμα την επιτάχυνση των ηλεκτρονίων και των ιόντων αντίστοιχα προς την άνοδο και την κάθοδο. Η συσσώρευση φορτίου προκαλούσε πτώση τάσης η οποία καταγραφόταν από ένα ηλεκτροσκόπιο. Ο πρώτος απαριθμητής Geiger ήταν γεγονός.

Hans Geiger

Το 1914, ο Geiger επέστρεψε στη Γερμανία για να συνεχίσει την έρευνά του, αλλά με το ξέσπασμα του Α’ Παγκοσμίου Πολέμου υπηρέτησε ως αξιωματικός πυροβολικού στον γερμανικό στρατό. Εξαιτίας των σκληρών συνθηκών στην πρώτη γραμμή των χαρακωμάτων ο Geiger άρχισε να υποφέρει από ρευματισμούς, που τον ταλαιπωρούσαν μέχρι το τέλος της ζωής του.

Μετά το τέλος του πολέμου ο Geiger επέστρεψε στην έρευνα, και στο πανεπιστήμιο του Κιέλου σε συνεργασία με τον υποψήφιο διδάκτορα, Walther Müller, βελτίωσε την αρχική διάταξη του απαριθμητή, κάντοντάς τον φορητό, περισσότερο αποδοτικό και πιο ανθεκτικό. Σε αντίθεση με την προηγούμενη έκδοση, η οποία θα μπορούσε να ανιχνεύσει μόνο τα σωματίδια άλφα, ο νέος βελτιωμένος απαριθμητής Geiger- Müller μπορούσε να ανιχνεύσει διαφορετικά είδη της ιονίζουσας ακτινοβολίας. Χρησιμοποίησαν το νέο ανιχνευτή για την επιβεβαίωση της ύπαρξης των κβάντων του φωτός το 1925 και στη συνέχεια για την ανακάλυψη των κοσμικών ακτίνων, οι οποίες συγκέντρωσαν την επιστημονική προσοχή του στο υπόλοιπο της καριέρας του.

απαριθμητής Geiger- Müller

Στη συνέχεια, η άνοδος του Αδόλφου Χίτλερ και οι διώξεις που ακολούθησαν κατέστρεψαν μια ολόκληρη γενιά των Γερμανών φυσικών. Ο Geiger επέκρινε την πολιτικοποίηση των πανεπιστημίων και υπέγραψε μια διαμαρτυρία μαζί με άλλους 74 συναδέλφους του, όπου προέτρεπαν τη νέα κυβέρνηση να μην παρεμβαίνει στο έργο τους, χωρίς βέβαια κανένα αποτέλεσμα

(διαβάστε επίσης: Η Φυσική των Αρίων) .

Έλαβε μέρος στο γερμανικό πρόγραμμα ανάπτυξης και παραγωγής πυρηνικών όπλων, μετά την ανακάλυψη της πυρηνικής σχάσης το 1939. Το πρόγραμμα σταμάτησε το 1942, αφού διαπιστώθηκε (λανθασμένα) πως η πυρηνική σχάση δεν ήταν δυνατόν να παίξει σημαντικό ρόλο στον τερματισμό του πολέμου (διαβάστε σχετικά: Γνώριζε ή όχι πώς να κατασκευάσει μια ατομική βόμβα ο πατέρας της Αρχής της Αβεβαιότητας Werner Heisenberg;).

Ο Geiger πρόλαβε να δει την πτώση του ναζιστικού καθεστώτος. Πέθανε στο Πότσνταμ, στις 24 Σεπτεμβρίου του 1945, σε ηλικία 62 ετών.

πηγές:
1. June 1911: Invention of the Geiger Counter
2. Φυσική γενικής παιδείας Γ′ Λυκείου
3. Πυρηνική Φυσική ΙΙ, Παναγιώτη Α. Ασημακόπουλου, Ιωάννινα 1984

https://physicsgg.me/2016/06/15/%ce%b7-%ce%b1%ce%bd%ce%b1%ce%ba%ce%ac%ce%bb%cf%85%cf%88%ce%b7-%cf%84%ce%bf%cf%85-%ce%b1%cf%80%ce%b1%cf%81%ce%b9%ce%b8%ce%bc%ce%b7%cf%84%ce%ae-geiger/