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Arthur Holly Compton war ein amerikanischer Physiker, der 1927 den Nobelpreis für Physik für seine Entdeckung des Compton-Effekts im Jahr 1923 erhielt, die die Teilchennatur der elektromagnetischen Strahlung demonstrierte. Es war damals eine sensationelle Entdeckung: Die Wellennatur des Lichts war gut nachgewiesen worden, aber die Idee, dass Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften hatte, wurde nicht leicht akzeptiert. Er ist auch bekannt für seine Leitung des Metallurgical Laboratory des Manhattan Projects an der University of Chicago und war von 1945 bis 1953 Kanzler der Washington University in St. Louis.
1919 erhielt Compton eines der ersten zwei National Research Council Fellowships, die es Studenten ermöglichten, im Ausland zu studieren. Er wählte die University of Cambridge's Cavendish Laboratory in England, wo er die Streuung und Absorption von Gammastrahlen studierte. Weitere Forschungen in dieser Richtung führten zur Entdeckung des Compton-Effekts. Er nutzte Röntgenstrahlen, um Ferromagnetismus zu untersuchen, und kam zu dem Ergebnis, dass dieser das Ergebnis der Ausrichtung von Elektronenspins war, und studierte kosmische Strahlung und entdeckte, dass sie hauptsächlich aus positiv geladenen Teilchen bestand.
Während des Zweiten Weltkriegs war Compton eine Schlüsselfigur im Manhattan Project, das die ersten Atomwaffen entwickelte. Seine Berichte waren wichtig für die Initiierung des Projekts. 1942 wurde er Leiter des Metallurgical Laboratory mit der Verantwortung für die Herstellung von Kernreaktoren zur Umwandlung von Uran in Plutonium, der Suche nach Wegen zur Trennung des Plutoniums vom Uran und der Konstruktion einer Atombombe. Compton überwachte Enrico Fermis Schaffung von Chicago Pile-1, dem ersten Kernreaktor, der am 2. Dezember 1942 kritisch wurde. Das Metallurgical Laboratory war auch verantwortlich für die Konstruktion und den Betrieb des X-10 Graphite Reactor in Oak Ridge, Tennessee. Plutonium begann 1945 in den Reaktoren der Hanford Site produziert zu werden.
Nach dem Krieg wurde Compton Kanzler der Washington University in St. Louis. Während seiner Amtszeit desegregierte die Universität formell ihre Undergraduate-Abteilungen, ernannte ihre erste weibliche ordentliche Professorin und schrieb eine Rekordanzahl von Studenten ein, nachdem Kriegsveteranen in die Vereinigten Staaten zurückkehrten.
Frühes Leben
Arthur Compton wurde am 10. September 1892 in Wooster, Ohio, als Sohn von Elias und Otelia Catherine née Augspurger Compton geboren, die 1939 zur American Mother of the Year ernannt wurde. Sie waren eine akademische Familie. Elias war Dekan der University of Wooster, später College of Wooster, das auch Arthur besuchte. Arthurs ältester Bruder Karl, der auch Wooster besuchte, erwarb 1912 einen Doktor der Philosophie (PhD) in Physik von der Princeton University und war von 1930 bis 1948 Präsident des Massachusetts Institute of Technology. Sein zweiter Bruder Wilson besuchte ebenfalls Wooster, erwarb seinen PhD in Wirtschaftswissenschaften von Princeton 1916 und war von 1944 bis 1951 Präsident des State College of Washington, später Washington State University. Alle drei Brüder waren Mitglieder der Alpha Tau Omega Studentenverbindung.
Compton interessierte sich zunächst für Astronomie und machte 1910 ein Foto des Halleyschen Kometen. Um 1913 beschrieb er ein Experiment, bei dem eine Untersuchung der Bewegung von Wasser in einem kreisförmigen Rohr die Rotation der Erde demonstrierte. In jenem Jahr graduierte er von Wooster mit einem Bachelor of Science-Abschluss und trat in Princeton ein, wo er 1914 seinen Master of Arts-Abschluss erhielt. Compton studierte dann für seinen PhD in Physik unter der Aufsicht von Hereward L. Cooke und schrieb seine Dissertation über The Intensity of X-Ray Reflection, and the Distribution of the Electrons in Atoms.
Als Arthur Compton 1916 seinen PhD erwarb, wurden er, Karl und Wilson die erste Gruppe von drei Brüdern, die PhDs von Princeton erhielten. Später würden sie die erste solche Trio werden, um gleichzeitig amerikanische Colleges zu leiten. Ihre Schwester Mary heiratete einen Missionar, C. Herbert Rice, der Schulleiter des Forman Christian College in Lahore wurde. Im Juni 1916 heiratete Compton Betty Charity McCloskey, eine Klassenkameradin und Kommilitonin von Wooster. Sie hatten zwei Söhne, Arthur Alan Compton und John Joseph Compton.
Compton verbrachte 1916–17 ein Jahr als Physikdozent an der University of Minnesota, dann zwei Jahre als Forschungsingenieur bei der Westinghouse Lamp Company in Pittsburgh, wo er an der Entwicklung der Natriumdampflampe arbeitete. Während des Ersten Weltkriegs entwickelte er Flugzeuginstrumente für das Signal Corps.
1919 erhielt Compton eines der ersten zwei National Research Council Fellowships, die es Studenten ermöglichten, im Ausland zu studieren. Er wählte die University of Cambridge's Cavendish Laboratory in England. Zusammen mit George Paget Thomson, dem Sohn von J. J. Thomson, studierte Compton die Streuung und Absorption von Gammastrahlen. Er beobachtete, dass die gestreuten Strahlen leichter absorbiert wurden als die ursprüngliche Quelle. Compton war sehr beeindruckt von den Wissenschaftlern des Cavendish, besonders von Ernest Rutherford, Charles Galton Darwin und Arthur Eddington, und er benannte letztendlich seinen zweiten Sohn nach J. J. Thomson.
Eine Zeit lang war Compton Diakon in einer Baptistenkirche. „Die Wissenschaft kann keinen Streit haben", sagte er, „mit einer Religion, die einen Gott postuliert, dem Menschen wie seine Kinder sind."
Karriere
Compton-Effekt
Nach seiner Rückkehr in die Vereinigten Staaten wurde Compton 1920 zum Wayman Crow Professor für Physik und Leiter der Abteilung für Physik an der Washington University in St. Louis ernannt. 1922 fand er heraus, dass Röntgenquanten, die von freien Elektronen gestreut wurden, längere Wellenlängen und gemäß Plancks Relation weniger Energie als die eingehenden Röntgenstrahlen hatten, wobei die überschüssige Energie auf die Elektronen übertragen wurde. Diese Entdeckung, bekannt als der „Compton-Effekt" oder „Compton-Streuung", demonstrierte das Teilchenkonzept der elektromagnetischen Strahlung.
1923 veröffentlichte Compton eine Arbeit im Physical Review, die die Röntgenverschiebung erklärte, indem er Photonen eine teilchenähnliche Bewegungsmenge zuschrieb, etwas, das Einstein für seine 1905 Nobelpreis-gekrönte Erklärung des photoelektrischen Effekts angewandt hatte. Ursprünglich von Max Planck im Jahr 1900 postuliert, wurden diese als Lichtelemente konzipiert, die durch einen bestimmten Energiebetrag abhängig nur von der Frequenz des Lichts „quantisiert" waren. In seiner Arbeit leitete Compton die mathematische Beziehung zwischen der Verschiebung der Wellenlänge und dem Streuwinkel der Röntgenstrahlen ab, indem er annahm, dass jedes gestreute Röntgenphoton nur mit einem Elektron wechselwirkte. Seine Arbeit endet mit der Berichterstattung über Experimente, die seine abgeleitete Beziehung verifizierten:
Die Größe h⁄mec ist als die Compton-Wellenlänge des Elektrons bekannt; sie ist gleich 2,43×10−12 m. Die Wellenlängenverschiebung λ′ − λ liegt zwischen Null für θ = 0° und der doppelten Compton-Wellenlänge des Elektrons für θ = 180°. Er fand, dass einige Röntgenstrahlen trotz Streuung in großen Winkeln keine Wellenlängenverschiebung erfuhren; in jedem dieser Fälle war es dem Photon nicht gelungen, ein Elektron auszustoßen. Somit ist die Größe der Verschiebung nicht mit der Compton-Wellenlänge des Elektrons verbunden, sondern mit der Compton-Wellenlänge des gesamten Atoms, die bis zu 10.000 Mal kleiner sein kann.
„Als ich meine Ergebnisse 1923 auf einer Tagung der American Physical Society präsentierte", erinnerte sich Compton später, „löste ich die erbitterste wissenschaftliche Kontroverse aus, die ich je kannte." Die Wellennatur des Lichts war gut demonstriert worden, und die Idee, dass es eine Doppelnatur haben könnte, wurde nicht leicht akzeptiert. Es war besonders aussagekräftig, dass die Beugung in einem Kristallgitter nur mit Bezug auf seine Wellennatur erklärt werden konnte. Es verdiente Compton 1927 den Nobelpreis für Physik. Compton und Alfred W. Simon entwickelten die Methode zur simultanen Beobachtung einzelner gestreuter Röntgenphotonen und der Rückstoßelektronen. In Deutschland entwickelten Walther Bothe und Hans Geiger unabhängig eine ähnliche Methode.
Röntgenstrahlen
1923 wechselte Compton als Professor für Physik an die University of Chicago, eine Position, die er für die nächsten 22 Jahre innehatte. 1925 demonstrierte er, dass die Streuung von 130.000-Volt-Röntgenstrahlen von den ersten sechzehn Elementen des Periodensystems Wasserstoff bis Schwefel polarisiert waren, ein Ergebnis, das von J. J. Thomson vorhergesagt worden war. William Duane von der Harvard University leitete einen Aufwand an, um zu beweisen, dass Comptons Interpretation des Compton-Effekts falsch war. Duane führte eine Reihe von Experimenten durch, um Compton zu widerlegen, fand aber stattdessen Beweise, dass Compton recht hatte. 1924 gab Duane zu, dass dies der Fall war.
Compton untersuchte die Auswirkung von Röntgenstrahlen auf die Natrium- und Chlorkerne in Salz. Er nutzte Röntgenstrahlen, um Ferromagnetismus zu untersuchen, und kam zu dem Ergebnis, dass dieser das Ergebnis der Ausrichtung von Elektronenspins war. 1926 wurde er Berater für die Lamp Department bei General Electric. 1934 kehrte er als Eastman Visiting Professor an die Oxford University zurück. Dort bat ihn General Electric, über Aktivitäten im Forschungslabor der General Electric Company plc in Wembley zu berichten. Compton war fasziniert von den Möglichkeiten der Forschung dort in Leuchtstofflampen. Sein Bericht veranlasste ein Forschungsprogramm in Amerika, das es entwickelte.
Comptons erstes Buch, X-Rays and Electrons, wurde 1926 veröffentlicht. Darin zeigte er, wie man die Dichten von beugenden Materialien aus ihren Röntgenbeugungsmustern berechnet. Er überarbeitete sein Buch mit Hilfe von Samuel K. Allison, um X-Rays in Theory and Experiment 1935 zu produzieren. Dieses Werk blieb für die nächsten drei Jahrzehnte ein Standardwerk.
Kosmische Strahlung
Anfang der 1930er Jahre war Compton an kosmischen Strahlen interessiert geworden. Damals war ihre Existenz bekannt, aber ihr Ursprung und ihre Natur blieben spekulativ. Ihre Anwesenheit konnte mit einer kugelförmigen „Bombe" mit Druckluft oder Argongas und Messung ihrer elektrischen Leitfähigkeit nachgewiesen werden. Reisen nach Europa, Indien, Mexiko, Peru und Australien gaben Compton die Möglichkeit, kosmische Strahlung in verschiedenen Höhen und Breiten zu messen. Zusammen mit anderen Gruppen, die Beobachtungen rund um den Globus machten, stellten sie fest, dass kosmische Strahlen an den Polen 15% intensiver waren als am Äquator. Compton schrieb dies dem Effekt zu, dass kosmische Strahlen hauptsächlich aus geladenen Teilchen bestanden, anstatt von Photonen wie Robert Millikan vorgeschlagen hatte, wobei der Breiteneffekt auf das Magnetfeld der Erde zurückzuführen war.
Manhattan Project
Im April 1941 schuf Vannevar Bush, Leiter des Kriegs National Defense Research Committee NDRC, einen speziellen Ausschuss unter Comptons Leitung, um über das NDRC-Uraniumprogramm zu berichten. Comptons Bericht, der im Mai 1941 eingereicht wurde, sah die Aussichten auf die Entwicklung radiologischer Waffen, nuklearen Antrieb für Schiffe und Atomwaffen mit Uran-235 oder dem kürzlich entdeckten Plutonium voraus. Im Oktober schrieb er einen weiteren Bericht über die Machbarkeit einer Atombombe. Für diesen Bericht arbeitete er mit Enrico Fermi an Berechnungen der kritischen Masse von Uran-235, wobei er sie konservativ auf zwischen 20 Kilogramm 44 lb und 2 Tonnen 2,0 long tons; 2,2 short tons schätzte. Er diskutierte auch die Aussichten für Urananreicherung mit Harold Urey, sprach mit Eugene Wigner darüber, wie Plutonium in einem Kernreaktor hergestellt werden könnte, und mit Robert Serber darüber, wie das in einem Reaktor erzeugte Plutonium vom Uran getrennt werden könnte. Sein im November eingereichte Bericht stellte fest, dass eine Bombe machbar war, obwohl er konservativer über ihre Zerstörungskraft war als Mark Oliphant und seine britischen Kollegen.
Der endgültige Entwurf von Comptons Novemberbericht erwähnte die Verwendung von Plutonium nicht, aber nach Diskussion der neuesten Forschung mit Ernest Lawrence war Compton davon überzeugt, dass eine Plutoniumbombe auch machbar war. Im Dezember wurde Compton zum Leiter des Plutoniumprojekts ernannt. Er hoffte, eine kontrollierte Kettenreaktion bis Januar 1943 zu erreichen und bis Januar 1945 eine Bombe zu haben. Um das Problem anzugehen, konzentrierte er die verschiedenen Forschungsgruppen, die an Plutonium und Kernreaktorkonstruktion an der Columbia University, der Princeton University und der University of California, Berkeley arbeiteten, zusammen als das Metallurgical Laboratory in Chicago. Ihre Ziele waren es, Reaktoren zu produzieren, um Uran in Plutonium umzuwandeln, Wege zu finden, um das Plutonium chemisch vom Uran zu trennen, und eine Atombombe zu konstruieren und zu bauen.
Im Juni 1942 übernahm das United States Army Corps of Engineers die Kontrolle über das Atomwaffenprogramm und Comptons Metallurgical Laboratory wurde Teil des Manhattan Project. In jenem Monat gab Compton Robert Oppenheimer die Verantwortung für die Bombenkonstruktion. Es fiel auf Compton, zu entscheiden, welche der verschiedenen Reaktorkonstruktionen, die die Wissenschaftler des Metallurgical Laboratory entworfen hatten, verfolgt werden sollte, sogar
