Hans Geiger

Hans Geiger (1882-1945) ha inventato il contatore Geiger.

Hans Geiger è stato un fisico nucleare tedesco meglio conosciuto per la sua invenzione del contatore Geiger, un dispositivo utilizzato per il conteggio delle particelle atomiche, e per il suo lavoro pionieristico in fisica nucleare con Ernest Rutherford.

Johannes Wilhelm Geiger nacque a Neustadt ander-Haardt (oggi Neustadt ander-Weinstrasse), Renania-Palatinato, Germania, il 30 settembre 1882. Suo padre, Wilhelm Ludwig Geiger, fu professore di filologia all’Università di Erlangen dal 1891 al 1920. Il maggiore di cinque figli, due ragazzi e tre ragazze, Geiger è stato educato inizialmente a Erlangen Gymnasium, da cui si è laureato nel 1901. Dopo aver completato il suo servizio militare obbligatorio, ha studiato fisica presso l’Università di Monaco di Baviera, e presso l’Università di Erlangen, dove il suo tutor è stato il professor Eilhard Wiedemann. Ha ricevuto un dottorato da quest’ultima istituzione nel 1906 per la sua tesi sulle scariche elettriche attraverso i gas.

Nello stesso anno, Geiger si trasferì all’Università di Manchester in Inghilterra per unirsi al suo stimato dipartimento di fisica. In un primo momento era un assistente al suo capo, Arthur Schuster, un esperto di ionizzazione del gas. Quando Schuster partì nel 1907, Geiger continuò la sua ricerca con il successore di Schuster, Ernest Rutherford, e il giovane fisico Ernest Marsden. Rutherford è stato quello di avere una profonda influenza sul giovane Geiger, scatenando il suo interesse per la fisica nucleare. La loro relazione, iniziata come partner in alcuni degli esperimenti più importanti di Geiger, è durata tutta la vita ed è documentata in una serie di lettere tra di loro.

Oltre a supervisionare gli studenti di ricerca che lavoravano al laboratorio, Geiger iniziò una serie di esperimenti con Rutherford sulle emissioni radioattive, basati sul rilevamento da parte di Rutherford dell’emissione di particelle alfa da sostanze radioattive. Insieme iniziarono la ricerca di queste particelle alfa, scoprendo tra le altre cose che due particelle alfa sembravano essere rilasciate quando l’uranio si disintegrò. Poiché le particelle alfa possono penetrare attraverso sottili pareti di solidi, Rutherford e Geiger presumevano che potessero muoversi direttamente attraverso gli atomi. Geiger progettato theapparatus che hanno usato per sparare flussi di particelle alfa attraverso lamina d’oro e su uno schermo dove sono stati osservati come scintillazioni, o piccoli lampi di luce.

Contare manualmente le migliaia di scintillazioni prodotte al minuto è stato un compito laborioso. Geiger è stato reputato qualcosa di un maniaco del lavoro, che ha messo in lunghe ore di registrazione dei lampi di luce. David Wilson ha notato a Rutherford: Semplice genio che in una lettera del 1908 al suo amico Henry A. Bumstead, Rutherford osservò: “Geiger è un buon uomo e lavora come uno schiavo is è un demone al lavoro e poteva contare a intervalli per un’intera notte senza disturbare la sua equanimità. Ho dannato vigorosamente dopo due minuti e mi sono ritirato dal conflitto.”Geiger è stato sfidato dalla casualità della loro metodologia per inventare una tecnica più precisa. La sua soluzione era una versione primitiva del” contatore Geiger”, la macchina con cui il suo nome è più spesso associato. Questo prototipo era essenzialmente un dispositivo elettrico altamente sensibile progettato per contare le emissioni di particelle alfa.

Il semplice ma ingegnoso dispositivo di misurazione di Geiger permise a lui e a Rutherford di discernere che le particelle alfa sono, in realtà, particelle nucleari doppiamente cariche, identiche al nucleo degli atomi di elio che viaggiano ad alta velocità. La coppia ha anche stabilito l’unità di base della carica elettrica quando è coinvolta nell’attività elettrica, che è equivalente a quella trasportata da un singolo atomo di idrogeno. Questi risultati sono stati pubblicati in due documenti congiunti nel 1908 dal titolo “Un metodo elettrico di conteggio del numero di particelle Alfa” e ” La carica e la natura della particella alfa.”

Bombardando l’oro con le particelle alfa Geiger e Rutherford osservarono che la maggior parte delle particelle passavano direttamente attraverso. Tuttavia, hanno scoperto inaspettatamente che alcune delle particelle erano deviate o disperse al contatto con gli atomi nell’oro, indicando che erano entrate in contatto con un campo elettrico molto potente. La descrizione di Rutherford dell’evento registrata da Wilson ne rivelò l’importanza: “Era come se avessi sparato un guscio di quindici pollici contro un pezzo di carta velina e fosse rimbalzato e ti avesse colpito. Queste osservazioni furono pubblicate congiuntamente da Geiger e Marsden in un articolo intitolato “On a Diffuse Reflection of the Alpha-Particles” per gli Atti della Royal Society nel giugno del 1909.

Trent’anni dopo Geiger ricordò: “All’inizio non riuscivamo a capirlo affatto”, osservò Wilson. Geiger continuò a studiare l’effetto di dispersione, pubblicando altri due articoli su di esso quell’anno. Il primo, con Rutherford, era intitolato ” Le variazioni di probabilità nella distribuzione delle particelle alfa. Il secondo, riferendosi al suo lavoro con Marsden, trattava “La dispersione delle particelle alfa per materia.”Il lavoro di Geiger con Rutherford e Marsden alla fine ispirò Rutherford nel 1910 a concludere che gli atomi contenevano un nucleo o nucleo caricato positivamente che respingeva le particelle alfa. Wilson notò il ricordo di Geiger che ” Un giorno Rutherford, ovviamente nel migliore degli spiriti, entrò nel mio e mi disse che ora sapeva com’era l’atomo e come spiegare le grandi deflessioni delle particelle alfa. Lo stesso giorno, ho iniziato un esperimento per testare la relazione prevista da Rutherford tra il numero di particelle sparse e l’angolo di dispersione.”

I risultati di Geiger furono abbastanza accurati da convincere Rutherford a rendere pubblica la sua scoperta nel 1910. Tuttavia, Geiger e Marsden continuarono i loro esperimenti per testare la teoria per un altro anno, completandoli nel giugno del 1912. I loro risultati furono pubblicati in tedesco a Vienna nel 1912 e in inglese nella rivista Filosofica nell’aprile del 1913. Wilson notò che il Dr. T. J. Trenn, uno studioso di fisica moderna, caratterizzò il lavoro di Geiger e Marsden di questo periodo: “Non era la prova di dispersione di Geiger-Marsden, in quanto tale, che forniva un supporto massiccio per il modello dell’atomo di Rutherford. Era, piuttosto, la costellazione di prove disponibili gradualmente dalla primavera del 1913 e questo, a sua volta, accoppiato con una crescente convinzione, tendeva ad aumentare il significato o il valore estrinseco assegnato ai risultati Geiger-Marsden oltre quello che possedevano intrinsecamente nel luglio 1912.”

Nel 1912 Geiger diede il suo nome alla legge Geiger-Nuttal, che afferma che gli atomi radioattivi con brevi emivite emettono particelle alfa ad alta velocità. In seguito lo revisionò e, nel 1928, una nuova teoria di George Gamow e altri fisici lo rese ridondante. Sempre nel 1912 Geiger tornò in Germania per assumere un posto come direttore del nuovo Laboratorio per la radioattività presso il Physikalisch-Technische Reichsanstalt di Berlino, dove inventò uno strumento per misurare non solo le particelle alfa, ma anche i raggi beta e altri tipi di radiazioni.

La ricerca di Geiger fu ampliata l’anno successivo con l’arrivo al laboratorio di James Chadwick e Walter Bothe, due distinti fisici nucleari. Con quest’ultimo, Geiger formò quella che sarebbe stata una lunga e fruttuosa associazione professionale, indagando insieme vari aspetti delle particelle radioattive. Tuttavia, il loro lavoro fu interrotto dallo scoppio della prima guerra mondiale. Arruolato con le truppe tedesche, Geiger combatté come ufficiale di artiglieria di fronte a molti dei suoi vecchi colleghi di Manchester tra cui Marsden e H. G. J. Moseley dal 1914 al 1918. Gli anni trascorsi accovacciati in trincea in prima linea lasciarono Geiger con dolorosi reumatismi. Con la fine della guerra, Geiger riprese il suo posto al Reichsanstalt, dove continuò il suo lavoro con Bothe. Nel 1920, Geiger sposò Elisabeth Heffter, dalla quale ebbe tre figli.

Geiger si trasferì dal Reichsanstalt nel 1925 per diventare professore di fisica all’Università di Kiel. Le sue responsabilità includevano l’insegnamento agli studenti e la guida di un considerevole gruppo di ricerca. Ha anche trovato il tempo di sviluppare, con Walther Mueller, lo strumento con cui il suo nome è più spesso associato: il contatore Geiger-Mueller, comunemente indicato come il contatore Geiger. Rilevando e contando elettricamente le particelle alfa, il contatore può individuare una particella in accelerazione entro circa un centimetro nello spazio e entro un centinaio di milionesimi di secondo nel tempo. È costituito da un piccolo contenitore metallico con un filo isolato elettricamente al centro a cui viene applicato un potenziale di circa 1000 volt. Nel 1925, Geiger usò il suo contatore per confermare l’effetto Compton, cioè la dispersione dei raggi X, che stabilirono l’esistenza di quantum di luce, o pacchetti di energia.

Geiger lasciato Kiel per l’Università di Tubinga nel mese di ottobre del 1929 per servire come professore di fisica e direttore della ricerca presso il suo istituto di fisica. Installato presso l’Istituto, Geiger ha lavorato instancabilmente per aumentare la velocità e la sensibilità del contatore Geiger. Come risultato dei suoi sforzi, fu in grado di scoprire esplosioni simultanee di radiazioni chiamate docce di raggi cosmici, e si concentrò sul loro studio per il resto della sua carriera.

Geiger tornò a Berlino nel 1936 dopo essere stato offerto la cattedra di fisica presso la Technische Hochschule. Il suo aggiornamento del contatore e il suo lavoro sui raggi cosmici continuarono. Era anche impegnato a guidare un team di fisici nucleari che ricercava la radioattività artificiale e i sottoprodotti della fissione nucleare (la scissione del nucleo dell’atomo). Sempre nel 1936 Geiger assunse la direzione della rivista Zeitschrift fur Physik, carica che mantenne fino alla sua morte. Fu in quel momento che Geiger fece anche una rara escursione in politica, spinta dall’ascesa al potere in Germania del Partito Nazionalsocialista di Adolf Hitler. I nazisti cercarono di sfruttare la fisica ai loro fini e coinvolgere gli scienziati del paese in lavori che avrebbero giovato al Terzo Reich. Geiger e molti altri eminenti fisici furono sconvolti dallo spettro di interferenze politiche nel loro lavoro da parte dei nazisti. Insieme a Werner Karl Heisenberg e Max Wien, Geiger ha composto un position paper che rappresenta le opinioni della maggior parte dei fisici, sia teorici, sperimentali o tecnici. Poiché questi uomini erano politicamente conservatori, la loro decisione di opporsi ai nazionalsocialisti fu presa sul serio e settantacinque dei fisici più importanti della Germania misero i loro nomi nel Memorandum Heisenberg-Wien-Geiger. Fu presentato al Ministero dell’Educazione del Reich alla fine del 1936.

Il documento lamentava lo stato della fisica in Germania, sostenendo che c’erano troppo pochi fisici emergenti e che gli studenti si stavano allontanando dall’argomento a causa degli attacchi alla fisica teorica sui giornali da parte dei nazionalsocialisti. Fisica teorica e sperimentale è andato di pari passo, ha continuato, e gli attacchi su entrambi i rami dovrebbero cessare. Il Memorandum sembrava porre fine agli attacchi alla fisica teorica, almeno a breve termine. Ha anche illustrato quanto seriamente Geiger ei suoi collaboratori hanno preso la minaccia al loro lavoro dai nazisti.

Geiger ha continuato a lavorare presso la Technische Hochschule attraverso la guerra, anche se verso l’ultima parte era sempre più assente, confinato a letto con reumatismi. Nel 1938 Geiger ricevette la Medaglia Hughes dalla Royal Academy of Science e la medaglia Dudell dalla London Physics Society. Aveva appena iniziato a mostrare segni di miglioramento della sua salute quando la sua casa vicino a Babelsberg fu occupata nel giugno del 1945. Soffrendo gravemente, Geiger fu costretto a fuggire e a rifugiarsi a Potsdam, dove morì il 24 settembre 1945.

Ulteriori letture

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

Dizionario della biografia scientifica, Volume 5, Scribner, 1972, pp. 330-333.

Williams, Trevor I., A Biographical Dictionary of Scientists, John Wiley & Sons, 1982, p. 211.

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

“Geiger and Proportional Counters”, in Nucleonics, dicembre 1947, pp. 69-75.

“Medaglia Hughes assegnata al professor Hans Geiger,” in Nature, Volume 124, 1929, p. 893.

Krebs, A. T., “Hans Geiger: Cinquantesimo anniversario della pubblicazione della sua tesi di dottorato, 23 luglio 1906, ” in Science, Volume 124, 1956, p. 166.

“Memorie di Rutherford a Manchester,” in Nature, Volume 141, 1938, p. 244. □

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