Hans Geiger

Hans Geiger (1882-1945) erfand den Geigerzähler.

Hans Geiger war ein deutscher Kernphysiker, der vor allem für seine Erfindung des Geigerzählers, eines Geräts zum Zählen atomarer Teilchen, und für seine Pionierarbeit in der Kernphysik mit Ernest Rutherford bekannt war.

Johannes Wilhelm Geiger wurde am 30.September 1882 in Neustadt ander-Haardt (heute Neustadt ander-Weinstraße), Rheinland-Pfalz, geboren. Sein Vater Wilhelm Ludwig Geiger war von 1891 bis 1920 Professor für Philologie an der Universität Erlangen. Als ältestes von fünf Kindern, zwei Jungen und drei Mädchen, besuchte Geiger zunächst das Erlanger Gymnasium, das er 1901 abschloss. Nach der Wehrpflicht studierte er Physik an der Universität München und an der Universität Erlangen bei Professor Eilhard Wiedemann. Er erhielt einen Doktortitel von der letzteren Institution im Jahr 1906 für seine Dissertation über elektrische Entladungen durch Gase.

Im selben Jahr wechselte Geiger an die Manchester University in England, um sich ihrer angesehenen Physikabteilung anzuschließen. Zunächst war er Assistent seines Leiters Arthur Schuster, einem Experten für Gasionisation. Als Schuster 1907 abreiste, setzte Geiger seine Forschung mit Schusters Nachfolger Ernest Rutherford und dem jungen Physiker Ernest Marsden fort. Rutherford hatte einen großen Einfluss auf den jungen Geiger und weckte sein Interesse an der Kernphysik. Ihre Beziehung, die als Partner bei einigen der wichtigsten Experimente von Geiger begann, war lebenslang und wird in einer Reihe von Briefen zwischen ihnen dokumentiert.

Zusätzlich zur Betreuung der im Labor arbeitenden Forschungsstudenten begann Geiger mit Rutherford eine Reihe von Experimenten zu radioaktiven Emissionen, basierend auf Rutherfords Nachweis der Emission von Alphateilchen aus radioaktiven Substanzen. Gemeinsam begannen sie mit der Erforschung dieser Alphateilchen und entdeckten unter anderem, dass beim Zerfall von Uran zwei Alphateilchen freigesetzt zu werden schienen. Da Alphateilchen dünne Wände von Festkörpern durchdringen können, vermuteten Rutherford und Geiger, dass sie sich direkt durch Atome bewegen könnten. Geiger entwarf das Gerät, mit dem sie Alphateilchenströme durch Goldfolie auf einen Bildschirm schossen, wo sie als Szintillationen oder winzige Lichtblitze beobachtet wurden.

Das manuelle Zählen der Tausenden von pro Minute erzeugten Szintillationen war eine mühsame Aufgabe. Geiger war angeblich so etwas wie ein Workaholic, der lange Stunden damit verbrachte, die Lichtblitze aufzuzeichnen. David Wilson bekannt durch Rutherford: Einfach genial, dass Rutherford 1908 in einem Brief an seinen Freund Henry A. Bumstead bemerkte: „Geiger ist ein guter Mann und arbeitet wie ein Sklave … ist ein Dämon bei der Arbeit und konnte eine ganze Nacht lang in Intervallen zählen, ohne seinen Gleichmut zu stören. Ich verdammte kräftig nach zwei Minuten und zog sich aus dem Konflikt.“ Geiger wurde durch die Zufälligkeit ihrer Methodik herausgefordert, eine präzisere Technik zu erfinden. Seine Lösung war eine primitive Version des „Geigerzählers“, der Maschine, mit der sein Name am häufigsten in Verbindung gebracht wird. Dieser Prototyp war im Wesentlichen ein hochempfindliches elektrisches Gerät zur Zählung von Alphateilchenemissionen.

Geigers einfaches, aber geniales Messgerät ermöglichte es ihm und Rutherford zu erkennen, dass Alphateilchen tatsächlich doppelt geladene Kernteilchen sind, die mit dem Kern von Heliumatomen identisch sind, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Das Paar etablierte auch die Grundeinheit der elektrischen Ladung, wenn es an der elektrischen Aktivität beteiligt ist, die der eines einzelnen Wasserstoffatoms entspricht. Diese Ergebnisse wurden 1908 in zwei gemeinsamen Arbeiten mit dem Titel „An Electrical Method of Counting the Number of Alpha Particles“ und „The Charge and Nature of the Alpha Particle“ veröffentlicht.“

Beim Bombardieren des Goldes mit den Alphateilchen beobachteten Geiger und Rutherford, dass die Mehrheit der Teilchen direkt durchging. Sie fanden jedoch unerwartet heraus, dass einige der Teilchen bei Kontakt mit den Atomen im Gold abgelenkt oder gestreut wurden, was darauf hindeutet, dass sie mit einem sehr starken elektrischen Feld in Kontakt gekommen waren. Rutherfords Beschreibung des Ereignisses, wie es von Wilson aufgezeichnet wurde, enthüllte seine Bedeutung: „Es war, als hätten Sie eine Fünfzehn-Zoll-Granate auf ein Stück Seidenpapier abgefeuert und es war zurückgesprungen und hatte Sie getroffen. Diese Beobachtungen wurden gemeinsam von Geiger und Marsden in einem Artikel mit dem Titel „On a Diffuse Reflection of the Alpha-Particles“ für die Proceedings of the Royal Society im Juni 1909 veröffentlicht.

Dreißig Jahre später erinnerte sich Geiger: „Zuerst konnten wir das überhaupt nicht verstehen“, bemerkte Wilson. Geiger untersuchte den Streueffekt weiter und veröffentlichte in diesem Jahr zwei weitere Artikel darüber. Die erste mit Rutherford trug den Titel „Die Wahrscheinlichkeitsvariationen in der Verteilung von Alphateilchen.“ Der zweite bezog sich auf seine Arbeit mit Marsden und befasste sich mit „Der Streuung von Alphateilchen durch Materie.“ Geigers Arbeit mit Rutherford und Marsden inspirierte Rutherford schließlich 1910 zu dem Schluss, dass die Atome einen positiv geladenen Kern oder Kern enthielten, der die Alphateilchen abstoßte. Wilson bemerkte Geigers Erinnerung, dass „Eines Tages Rutherford, offensichtlich in bester Stimmung, in meine kam und mir sagte, dass er jetzt wisse, wie das Atom aussehe und wie man die großen Ablenkungen der Alphateilchen erklären könne. Am selben Tag begann ich ein Experiment, um die von Rutherford erwartete Beziehung zwischen der Anzahl der gestreuten Teilchen und dem Streuwinkel zu testen.“

Geigers Ergebnisse waren genau genug, um Rutherford zu überzeugen, mit seiner Entdeckung im Jahr 1910 an die Öffentlichkeit zu gehen. Nichtsdestotrotz setzten Geiger und Marsden ihre Experimente fort, um die Theorie für ein weiteres Jahr zu testen, und schlossen sie im Juni 1912 ab. Ihre Ergebnisse wurden 1912 in Wien in deutscher Sprache und im April 1913 in englischer Sprache in der Philosophischen Zeitschrift veröffentlicht. Wilson bemerkte, dass Dr. T. J. Trenn, ein moderner Physikwissenschaftler, Geigers und Marsdens Arbeit dieser Zeit charakterisierte: „Es war nicht der Beweis der Geiger-Marsden-Streuung als solcher, der Rutherfords Modell des Atoms massiv unterstützte. Es war vielmehr die Konstellation von Beweisen, die ab dem Frühjahr 1913 allmählich zur Verfügung standen, und dies wiederum, gepaart mit einer wachsenden Überzeugung, tendierte dazu, die Bedeutung oder den extrinsischen Wert der Geiger-Marsden-Ergebnisse über das hinaus zu erhöhen, was sie an sich besaßen im Juli 1912.“

1912 gab Geiger dem Geiger-Nuttal-Gesetz seinen Namen, das besagt, dass radioaktive Atome mit kurzen Halbwertszeiten Alphateilchen mit hoher Geschwindigkeit emittieren. Er überarbeitete es später, und 1928 machte eine neue Theorie von George Gamow und anderen Physikern es überflüssig. Ebenfalls 1912 kehrte Geiger nach Deutschland zurück, um eine Stelle als Direktor des neuen Labors für Radioaktivität an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Berlin anzunehmen, wo er ein Instrument erfand, mit dem nicht nur Alphateilchen, sondern auch Betastrahlen und andere Arten von Strahlung gemessen werden konnten.

Geigers Forschung wurde im folgenden Jahr mit der Ankunft von James Chadwick und Walter Bothe, zwei angesehenen Kernphysikern, im Labor erweitert. Mit letzterem bildete Geiger eine lange und fruchtbare Berufsgemeinschaft, in der verschiedene Aspekte radioaktiver Partikel gemeinsam untersucht wurden. Ihre Arbeit wurde jedoch durch den Ausbruch des Ersten Weltkriegs unterbrochen. Bei den deutschen Truppen kämpfte Geiger von 1914 bis 1918 als Artillerieoffizier gegen viele seiner alten Kollegen aus Manchester, darunter Marsden und H. G. J. Moseley. Die Jahre, die Geiger in Schützengräben an der Front kauerte, hinterließen schmerzhaften Rheumatismus. Nach Kriegsende nahm Geiger seinen Posten an der Reichsanstalt wieder auf, wo er seine Arbeit mit Bothe fortsetzte. 1920 heiratete Geiger Elisabeth Heffter, mit der er drei Söhne hatte.

Geiger wechselte 1925 von der Reichsanstalt auf eine Professur für Physik an der Universität Kiel. Zu seinen Aufgaben gehörte es, Studenten zu unterrichten und ein beträchtliches Forschungsteam zu leiten. Er fand auch Zeit, mit Walther Müller das Instrument zu entwickeln, mit dem sein Name am häufigsten in Verbindung gebracht wird: den Geiger-Müller-Zähler, der gemeinhin als Geigerzähler bezeichnet wird. Durch die elektrische Detektion und Zählung von Alphateilchen kann der Zähler ein beschleunigtes Teilchen innerhalb von etwa einem Zentimeter im Raum und innerhalb einer hundertmillionsten Sekunde in der Zeit lokalisieren. Es besteht aus einem kleinen Metallbehälter mit einem elektrisch isolierten Draht im Herzen, an den ein Potential von etwa 1000 Volt angelegt wird. Im Jahr 1925 verwendete Geiger seinen Zähler, um den Compton-Effekt zu bestätigen, dh die Streuung von Röntgenstrahlen, die die Existenz von Lichtquanten oder Energiepaketen festlegte.

Geiger verließ Kiel im Oktober 1929 als Professor für Physik und Forschungsdirektor an der Universität Tübingen. Am Institut installiert, arbeitete Geiger unermüdlich daran, die Geschwindigkeit und Empfindlichkeit des Geigerzählers zu erhöhen. Als Ergebnis seiner Bemühungen konnte er gleichzeitige Strahlungsausbrüche entdecken, die als kosmische Strahlungsschauer bezeichnet werden, und konzentrierte sich für den Rest seiner Karriere auf ihre Untersuchung.

Geiger kehrte 1936 nach Berlin zurück, nachdem ihm der Lehrstuhl für Physik an der Technischen Hochschule angeboten worden war. Seine Modernisierung des Zählers und seine Arbeit an der kosmischen Strahlung fortgesetzt. Er war auch damit beschäftigt, ein Team von Kernphysikern zu leiten, die künstliche Radioaktivität und die Nebenprodukte der Kernspaltung (die Spaltung des Atomkerns) erforschten. Ebenfalls 1936 übernahm Geiger die Redaktion der Zeitschrift für Physik, die er bis zu seinem Tod innehatte. Zu dieser Zeit unternahm Geiger auch einen seltenen Ausflug in die Politik, ausgelöst durch die Machtübernahme der Nationalsozialistischen Partei Adolf Hitlers in Deutschland. Die Nazis versuchten, die Physik für ihre Zwecke zu nutzen und die Wissenschaftler des Landes in Arbeiten einzubeziehen, die dem Dritten Reich zugute kommen würden. Geiger und viele andere prominente Physiker waren entsetzt über das Gespenst der politischen Einmischung der Nazis in ihre Arbeit. Zusammen mit Werner Karl Heisenberg (Werner Karl Heisenberg) und Max Wien (Max Wien) verfasste Geiger ein Positionspapier, das die Ansichten der meisten Physiker vertritt, ob theoretisch, experimentell, oder technisch. Da diese Männer politisch konservativ waren, wurde ihre Entscheidung, sich den Nationalsozialisten zu widersetzen, ernst genommen, und fünfundsiebzig der bemerkenswertesten Physiker Deutschlands nannten ihre Namen dem Heisenberg-Wien-Geiger-Memorandum. Es wurde Ende 1936 dem Reichsbildungsministerium übergeben.

Das Dokument beklagte den Zustand der Physik in Deutschland und behauptete, es gebe zu wenige Nachwuchsphysiker und Studenten scheuen das Fach wegen Angriffen der Nationalsozialisten auf die theoretische Physik in den Zeitungen. Theoretische und experimentelle Physik gingen Hand in Hand, fuhr sie fort, und Angriffe auf beide Zweige sollten aufhören. Das Memorandum schien den Angriffen auf die theoretische Physik zumindest kurzfristig Einhalt zu gebieten. Es zeigte auch, wie ernst Geiger und seine Mitarbeiter die Bedrohung ihrer Arbeit durch die Nazis nahmen.

Geiger arbeitete während des Krieges weiter an der Technischen Hochschule, obwohl er gegen Ende des Krieges zunehmend abwesend und mit Rheuma ans Bett gefesselt war. 1938 erhielt Geiger die Hughes-Medaille der Royal Academy of Science und die Dudell-Medaille der London Physics Society. Als er im Juni 1945 sein Haus in der Nähe von Babelsberg besetzte, hatte sich sein Gesundheitszustand gerade erst gebessert. Geiger musste fliehen und suchte Zuflucht in Potsdam, wo er am 24.September 1945 starb.

Weiterführende Literatur

Beyerchen, Alan D., Wissenschaftler unter Hitler: Politik und die Physikgemeinschaft im Dritten Reich, Yale University Press, 1979.

Wörterbuch der wissenschaftlichen Biographie, Band 5, Scribner, 1972, S. 330-333.

Williams, Trevor I., Ein biographisches Wörterbuch der Wissenschaftler, John Wiley & Sons, 1982, p. 211.

Wilson, David, Rutherford: Einfaches Genie, MIT Press, 1983.

„Geiger- und Proportionalzähler“ in Nucleonics, Dezember 1947, S. 69-75.

„Hughes-Medaille an Professor Hans Geiger verliehen“, in Nature, Band 124, 1929, S. 893.

Krebs, A. T., „Hans Geiger: Fünfzigster Jahrestag der Veröffentlichung seiner Doktorarbeit, 23. Juli 1906,“ in Science, Band 124, 1956, S. 166.

„Erinnerungen an Rutherford in Manchester“ in Nature, Band 141, 1938, S. 244. □

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