Hans Geiger

Hans Geiger (1882-1945) a inventé le compteur Geiger.

Hans Geiger était un physicien nucléaire allemand surtout connu pour son invention du compteur Geiger, un dispositif utilisé pour compter les particules atomiques, et pour ses travaux pionniers en physique nucléaire avec Ernest Rutherford.

Johannes Wilhelm Geiger est né à Neustadt ander-Haardt (aujourd’hui Neustadt ander-Weinstrasse), Rhénanie-Palatinat, Allemagne, le 30 septembre 1882. Son père, Wilhelm Ludwig Geiger, était professeur de philologie à l’Université d’Erlangen de 1891 à 1920. Aîné d’une famille de cinq enfants, deux garçons et trois filles, Geiger étudie d’abord au gymnase d’Erlangen, dont il sort diplômé en 1901. Après avoir terminé son service militaire obligatoire, il a étudié la physique à l’Université de Munich et à l’Université d’Erlangen où son tuteur était le professeur Eilhard Wiedemann. Il a reçu un doctorat de cette dernière institution en 1906 pour sa thèse sur les décharges électriques par les gaz.

La même année, Geiger déménage à l’Université de Manchester en Angleterre pour rejoindre son département de physique estimé. Au début, il était l’assistant de son chef, Arthur Schuster, un expert en ionisation des gaz. Lorsque Schuster partit en 1907, Geiger poursuivit ses recherches avec le successeur de Schuster, Ernest Rutherford, et le jeune physicien Ernest Marsden. Rutherford aura une profonde influence sur le jeune Geiger, suscitant son intérêt pour la physique nucléaire. Leur relation, qui a commencé en tant que partenaires de certaines des expériences les plus importantes de Geiger, a duré toute la vie et est documentée dans une série de lettres entre eux.

En plus de superviser les étudiants de recherche travaillant au laboratoire, Geiger a commencé une série d’expériences avec Rutherford sur les émissions radioactives, basées sur la détection par Rutherford de l’émission de particules alpha provenant de substances radioactives. Ensemble, ils ont commencé à rechercher ces particules alpha, découvrant entre autres que deux particules alpha semblaient être libérées lors de la désintégration de l’uranium. Étant donné que les particules alpha peuvent pénétrer à travers de fines parois de solides, Rutherford et Geiger ont supposé qu’elles pouvaient se déplacer directement à travers les atomes. Geiger a conçu l’appareil qu’ils utilisaient pour projeter des flux de particules alpha à travers une feuille d’or et sur un écran où elles étaient observées sous forme de scintillations, ou de minuscules éclairs de lumière.

Compter manuellement les milliers de scintillations produites par minute était une tâche laborieuse. Geiger était réputé être un bourreau de travail, qui passait de longues heures à enregistrer les éclairs lumineux. David Wilson a noté à Rutherford: Simple génie que dans une lettre de 1908 à son ami Henry A. Bumstead, Rutherford remarquait: « Geiger est un homme bon et travaille comme un esclave is est un démon au travail et pouvait compter à intervalles réguliers pendant toute une nuit sans perturber son équanimité. J’ai damné vigoureusement après deux minutes et je me suis retiré du conflit. »Geiger a été mis au défi par le hasard de leur méthodologie d’inventer une technique plus précise. Sa solution était une version primitive du « compteur Geiger », la machine à laquelle son nom est le plus souvent associé. Ce prototype était essentiellement un appareil électrique très sensible conçu pour compter les émissions de particules alpha.

Le dispositif de mesure simple mais ingénieux de Geiger lui a permis, ainsi qu’à Rutherford, de discerner que les particules alpha sont en fait des particules nucléaires doublement chargées, identiques au noyau des atomes d’hélium voyageant à grande vitesse. Le couple a également établi l’unité de base de la charge électrique lorsqu’elle est impliquée dans une activité électrique, qui est équivalente à celle portée par un seul atome d’hydrogène. Ces résultats ont été publiés dans deux articles communs en 1908 intitulés « An Electrical Method of Counting the Number of Alpha Particles » et « The Charge and Nature of the Alpha Particle ». »

En bombardant l’or avec les particules alpha, Geiger et Rutherford ont observé que la majorité des particules traversaient directement. Cependant, ils ont découvert de manière inattendue que quelques-unes des particules étaient déviées ou dispersées au contact des atomes de l’or, indiquant qu’elles étaient entrées en contact avec un champ électrique très puissant. La description de Rutherford de l’événement telle qu’enregistrée par Wilson a révélé son importance: « C’était comme si vous aviez tiré un obus de quinze pouces sur un morceau de papier de soie et qu’il avait rebondi et vous avait frappé. »Ces observations ont été publiées conjointement par Geiger et Marsden dans un article intitulé « On a Diffus Reflection of the Alpha-Particles » pour les Actes de la Royal Society en juin 1909.

Trente ans plus tard, Geiger se souvient: « Au début, nous ne pouvions pas du tout comprendre cela », a noté Wilson. Geiger a continué à étudier l’effet de diffusion, publiant deux autres articles à ce sujet cette année-là. La première, avec Rutherford, s’intitulait « Les variations de probabilité dans la Distribution des Particules Alpha. »Le second, se référant à son travail avec Marsden, traitait de « La diffusion des particules Alpha par la Matière. »Les travaux de Geiger avec Rutherford et Marsden ont finalement inspiré Rutherford en 1910 pour conclure que les atomes contenaient un noyau ou un noyau chargé positivement qui repoussait les particules alpha. Wilson a noté le souvenir de Geiger: « Un jour, Rutherford, évidemment dans le meilleur des esprits, est entré dans mon et m’a dit qu’il savait maintenant à quoi ressemblait l’atome et comment expliquer les grandes déviations des particules alpha. Le même jour, j’ai commencé une expérience pour tester la relation attendue par Rutherford entre le nombre de particules dispersées et l’angle de diffusion. »

Les résultats de Geiger étaient suffisamment précis pour persuader Rutherford de rendre publique sa découverte en 1910. Néanmoins, Geiger et Marsden ont poursuivi leurs expériences pour tester la théorie pendant une autre année, les achevant en juin 1912. Leurs résultats ont été publiés en allemand à Vienne en 1912 et en anglais dans la Revue Philosophique en avril 1913. Wilson a noté que le Dr T. J. Trenn, un chercheur en physique moderne, a caractérisé les travaux de Geiger et de Marsden de cette période: « Ce n’était pas la preuve de diffusion de Geiger-Marsden, en tant que telle, qui a fourni un soutien massif au modèle de l’atome de Rutherford. Il s’agissait plutôt de la constellation de preuves disponibles progressivement à partir du printemps 1913, ce qui, à son tour, associé à une conviction croissante, tendait à augmenter la signification ou la valeur extrinsèque attribuée aux résultats Geiger-Marsden au-delà de ce qu’ils possédaient intrinsèquement en juillet 1912. »

En 1912, Geiger a donné son nom à la loi de Geiger-Nuttal, qui stipule que les atomes radioactifs à demi-vie courte émettent des particules alpha à grande vitesse. Il l’a ensuite révisée et, en 1928, une nouvelle théorie de George Gamow et d’autres physiciens l’a rendue redondante. Toujours en 1912, Geiger retourna en Allemagne pour occuper un poste de directeur du nouveau Laboratoire de radioactivité de la Physikalisch-Technische Reichsanstalt de Berlin, où il inventa un instrument permettant de mesurer non seulement les particules alpha, mais aussi les rayons bêta et d’autres types de rayonnements.

Les recherches de Geiger ont été élargies l’année suivante avec l’arrivée au laboratoire de James Chadwick et Walter Bothe, deux physiciens nucléaires distingués. Avec ce dernier, Geiger a formé ce qui serait une association professionnelle longue et fructueuse, étudiant ensemble divers aspects des particules radioactives. Cependant, leur travail a été interrompu par le déclenchement de la Première Guerre mondiale. Enrôlé dans les troupes allemandes, Geiger combat comme officier d’artillerie face à plusieurs de ses anciens collègues de Manchester, dont Marsden et H. G. J. Moseley de 1914 à 1918. Les années passées accroupies dans les tranchées sur les lignes de front laissèrent Geiger souffrant de rhumatismes douloureux. La guerre terminée, Geiger a repris son poste au Reichsanstalt, où il a continué son travail avec Bothe. En 1920, Geiger épouse Elisabeth Heffter, avec qui il a trois fils.

Geiger quitte la Reichsanstalt en 1925 pour devenir professeur de physique à l’Université de Kiel. Ses responsabilités comprenaient l’enseignement aux étudiants et la direction d’une importante équipe de recherche. Il a également trouvé le temps de développer, avec Walther Mueller, l’instrument auquel son nom est le plus souvent associé : le compteur Geiger-Mueller, communément appelé compteur Geiger. Détectant et comptant électriquement des particules alpha, le compteur peut localiser une particule en excès de vitesse à environ un centimètre dans l’espace et à moins d’une centaine de millionième seconde dans le temps. Il se compose d’un petit récipient métallique avec en son cœur un fil isolé électriquement sur lequel un potentiel d’environ 1000 volts est appliqué. En 1925, Geiger a utilisé son compteur pour confirmer l’effet Compton, c’est-à-dire la diffusion des rayons X, qui a réglé l’existence de quantum de lumière, ou paquets d’énergie.

Geiger quitta Kiel pour l’Université de Tubingen en octobre 1929 pour y occuper les fonctions de professeur de physique et de directeur de recherche à son institut de physique. Installé à l’Institut, Geiger a travaillé sans relâche pour augmenter la vitesse et la sensibilité du compteur Geiger. Grâce à ses efforts, il a pu découvrir des rafales de rayonnement simultanées appelées douches de rayons cosmiques et s’est concentré sur leur étude pour le reste de sa carrière.

Geiger retourne à Berlin en 1936 après s’être vu offrir la chaire de physique à la Technische Hochschule. Sa mise à niveau du compteur et son travail sur les rayons cosmiques se sont poursuivis. Il était également occupé à diriger une équipe de physiciens nucléaires recherchant la radioactivité artificielle et les sous-produits de la fission nucléaire (la division du noyau de l’atome). Toujours en 1936, Geiger prend la direction de la rédaction du journal Zeitschrift fur Physik, poste qu’il conserve jusqu’à sa mort. C’est à cette époque que Geiger a également fait une rare excursion en politique, provoquée par l’arrivée au pouvoir en Allemagne du Parti national-socialiste d’Adolf Hitler. Les nazis cherchaient à exploiter la physique à leurs fins et à engager les scientifiques du pays dans des travaux qui profiteraient au Troisième Reich. Geiger et de nombreux autres physiciens de premier plan ont été consternés par le spectre d’une ingérence politique dans leur travail par les nazis. Avec Werner Karl Heisenberg et Max Wien, Geiger a composé un document de position représentant les points de vue de la plupart des physiciens, qu’ils soient théoriques, expérimentaux ou techniques. Comme ces hommes étaient politiquement conservateurs, leur décision de s’opposer aux nationaux-socialistes a été prise au sérieux, et soixante-quinze des physiciens les plus remarquables d’Allemagne ont apposé leur nom sur le mémorandum Heisenberg-Wien-Geiger. Il a été présenté au ministère de l’Éducation du Reich à la fin de 1936.

Le document déplorait l’état de la physique en Allemagne, affirmant qu’il y avait trop peu de physiciens prometteurs et que les étudiants se détournaient du sujet à cause des attaques contre la physique théorique dans les journaux par les nationaux-socialistes. La physique théorique et la physique expérimentale allaient de pair, elle a continué, et les attaques contre l’une ou l’autre branche devraient cesser. Le mémorandum semblait mettre un terme aux attaques contre la physique théorique, du moins à court terme. Il a également illustré à quel point Geiger et ses associés ont pris au sérieux la menace que les nazis menaçaient leur travail.

Geiger a continué à travailler à la Technische Hochschule pendant la guerre, bien que vers la dernière partie, il était de plus en plus absent, confiné au lit avec des rhumatismes. En 1938, Geiger reçoit la médaille Hughes de la Royal Academy of Science et la médaille Dudell de la London Physics Society. Il commençait tout juste à montrer des signes d’amélioration de sa santé lorsque sa maison près de Babelsberg fut occupée en juin 1945. Souffrant gravement, Geiger est contraint de fuir et de se réfugier à Potsdam, où il meurt le 24 septembre 1945.

Lectures complémentaires

Beyerchen, Alan D., Scientists under Hitler: Politics and the Physics Community in the Third Reich, Yale University Press, 1979.

Dictionnaire de biographie scientifique, Volume 5, Scribner, 1972, pp. 330-333.

Williams, Trevor I., Un Dictionnaire biographique des scientifiques, John Wiley & Sons, 1982, p. 211.

Wilson, David, Rutherford: Simple Genius, MIT Press, 1983.

« Geiger et les compteurs proportionnels », dans Nucleonics, décembre 1947, pp. 69-75.

« Médaille Hughes décernée au professeur Hans Geiger », dans Nature, Volume 124, 1929, p. 893.

Krebs, A.T.,  » Hans Geiger: Cinquantième Anniversaire de la Publication de Sa Thèse de doctorat, 23 juillet 1906, « in Science, Volume 124, 1956, p. 166.

« Souvenirs de Rutherford à Manchester », dans Nature, Volume 141, 1938, p. 244. □

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