Los beneficios de la ciencia no son solo materiales. Las verdades que la ciencia enseña son de interés común en todo el mundo. El lenguaje de la ciencia es universal y es una fuerza poderosa para acercar a los pueblos del mundo.
Arthur Holly Compton fue un físico estadounidense que ganó el Premio Nobel de Física en 1927 por su descubrimiento en 1923 del efecto Compton, que demostró la naturaleza corpuscular de la radiación electromagnética. Fue un descubrimiento sensacional en su momento: la naturaleza ondulatoria de la luz había sido bien demostrada, pero la idea de que la luz tenía propiedades tanto ondulatorias como corpusculares no fue fácilmente aceptada. También es conocido por su liderazgo del Laboratorio Metalúrgico del Proyecto Manhattan en la Universidad de Chicago, y se desempeñó como Rector de la Universidad de Washington en St. Louis de 1945 a 1953.
En 1919, Compton fue galardonado con una de las dos primeras becas del Consejo Nacional de Investigación que permitían a los estudiantes estudiar en el extranjero. Eligió ir al Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge en Inglaterra, donde estudió la dispersión y absorción de rayos gamma. La investigación adicional en esta línea llevó al descubrimiento del efecto Compton. Utilizó rayos X para investigar el ferromagnetismo, concluyendo que era el resultado de la alineación de los espines de los electrones, y estudió rayos cósmicos, descubriendo que estaban compuestos principalmente de partículas cargadas positivamente.
Durante la Segunda Guerra Mundial, Compton fue una figura clave en el Proyecto Manhattan que desarrolló las primeras armas nucleares. Sus informes fueron importantes en el lanzamiento del proyecto. En 1942, se convirtió en director del Laboratorio Metalúrgico, con responsabilidad de producir reactores nucleares para convertir uranio en plutonio, encontrar formas de separar el plutonio del uranio y diseñar una bomba atómica. Compton supervisó la creación de Enrico Fermi del Chicago Pile-1, el primer reactor nuclear, que se volvió crítico el 2 de diciembre de 1942. El Laboratorio Metalúrgico también fue responsable del diseño y operación del Reactor de Grafito X-10 en Oak Ridge, Tennessee. La producción de plutonio comenzó en los reactores del Sitio de Hanford en 1945.
Después de la guerra, Compton se convirtió en Rector de la Universidad de Washington en St. Louis. Durante su mandato, la universidad desagregó formalmente sus divisiones de pregrado, nombró a su primera profesora titular femenina e inscribió un número récord de estudiantes después de que los veteranos de guerra regresaron a los Estados Unidos.
Primeros años
Arthur Compton nació el 10 de septiembre de 1892 en Wooster, Ohio, hijo de Elias y Otelia Catherine née Augspurger Compton, quien fue nombrada Madre Americana del Año en 1939. Eran una familia académica. Elias fue decano de la Universidad de Wooster, más tarde el College of Wooster, al que Arthur también asistió. El hermano mayor de Arthur, Karl, quien también asistió a Wooster, obtuvo un doctorado en física de la Universidad de Princeton en 1912 y fue presidente del Instituto de Tecnología de Massachusetts de 1930 a 1948. Su segundo hermano, Wilson, asimismo asistió a Wooster, obtuvo su doctorado en economía de Princeton en 1916 y fue presidente del State College of Washington, más tarde la Universidad Estatal de Washington de 1944 a 1951. Los tres hermanos fueron miembros de la fraternidad Alpha Tau Omega.
Compton estaba inicialmente interesado en la astronomía e hizo una fotografía del Cometa Halley en 1910. Alrededor de 1913, describió un experimento en el que un examen del movimiento del agua en un tubo circular demostraba la rotación de la tierra. Ese año, se graduó de Wooster con una licenciatura en Ciencias e ingresó a Princeton, donde obtuvo su Maestría en Artes en 1914. Compton luego estudió su doctorado en física bajo la supervisión de Hereward L. Cooke, escribiendo su disertación sobre La Intensidad de la Reflexión de Rayos X y la Distribución de los Electrones en los Átomos.
Cuando Arthur Compton obtuvo su doctorado en 1916, él, Karl y Wilson se convirtieron en el primer grupo de tres hermanos en obtener doctorados de Princeton. Más tarde, serían el primer trío de este tipo en dirigir simultáneamente colegios estadounidenses. Su hermana Mary se casó con un misionero, C. Herbert Rice, quien se convirtió en director del Forman Christian College en Lahore. En junio de 1916, Compton se casó con Betty Charity McCloskey, una compañera de clase de Wooster y colega graduada. Tuvieron dos hijos, Arthur Alan Compton y John Joseph Compton.
Compton pasó un año como instructor de física en la Universidad de Minnesota en 1916–17, luego dos años como ingeniero de investigación con la Westinghouse Lamp Company en Pittsburgh, donde trabajó en el desarrollo de la lámpara de vapor de sodio. Durante la Primera Guerra Mundial desarrolló instrumentación de aeronaves para el Signal Corps.
En 1919, Compton fue galardonado con una de las dos primeras becas del Consejo Nacional de Investigación que permitían a los estudiantes estudiar en el extranjero. Eligió ir al Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge en Inglaterra. Trabajando con George Paget Thomson, hijo de J. J. Thomson, Compton estudió la dispersión y absorción de rayos gamma. Observó que los rayos dispersados eran más fácilmente absorbidos que la fuente original. Compton quedó muy impresionado por los científicos de Cavendish, especialmente Ernest Rutherford, Charles Galton Darwin y Arthur Eddington, e finalmente nombró a su segundo hijo en honor a J. J. Thomson.
Durante un tiempo Compton fue diácono en una iglesia bautista. "La ciencia no puede tener disputa", dijo, "con una religión que postula un Dios al cual los hombres son como sus hijos".
Carrera
Efecto Compton
De regreso a los Estados Unidos, Compton fue nombrado Profesor Wayman Crow de Física y Jefe del Departamento de Física en la Universidad de Washington en St. Louis en 1920. En 1922, descubrió que los cuantos de rayos X dispersados por electrones libres tenían longitudes de onda más largas y, de acuerdo con la relación de Planck, menos energía que los rayos X entrantes, habiendo sido transferida la energía excedente a los electrones. Este descubrimiento, conocido como el "efecto Compton" o "dispersión Compton", demostró el concepto corpuscular de la radiación electromagnética.
En 1923, Compton publicó un artículo en la Physical Review que explicaba el desplazamiento de rayos X atribuyendo un momento similar al de una partícula a los fotones, algo que Einstein había invocado para su explicación del efecto fotoeléctrico ganadora del Premio Nobel en 1905. Postulado por primera vez por Max Planck en 1900, estos se conceptualizaron como elementos de luz "cuantificados" por contener una cantidad específica de energía que depende solo de la frecuencia de la luz. En su artículo, Compton derivó la relación matemática entre el cambio de longitud de onda y el ángulo de dispersión de los rayos X asumiendo que cada fotón de rayos X dispersado interactuaba con un solo electrón. Su artículo concluye informando sobre experimentos que verificaron su relación derivada:
La cantidad h⁄mec se conoce como la longitud de onda de Compton del electrón; es igual a 2,43×10−12 m. El cambio de longitud de onda λ′ − λ se encuentra entre cero para θ = 0° y el doble de la longitud de onda de Compton del electrón para θ = 180°. Encontró que algunos rayos X no experimentaron cambio de longitud de onda a pesar de ser dispersados en ángulos grandes; en cada uno de estos casos el fotón no expulsó un electrón. Por lo tanto, la magnitud del desplazamiento no está relacionada con la longitud de onda de Compton del electrón, sino con la longitud de onda de Compton del átomo completo, que puede ser hasta 10.000 veces más pequeña.
"Cuando presenté mis resultados en una reunión de la American Physical Society en 1923", recordó Compton más tarde, "inició la controversia científica más acalorada que he conocido". La naturaleza ondulatoria de la luz había sido bien demostrada, y la idea de que pudiera tener una naturaleza dual no fue fácilmente aceptada. Fue particularmente revelador que la difracción en una red cristalina solo pudiera explicarse haciendo referencia a su naturaleza ondulatoria. Le valió a Compton el Premio Nobel de Física en 1927. Compton y Alfred W. Simon desarrollaron el método para observar en el mismo instante fotones individuales de rayos X dispersados y los electrones de retroceso. En Alemania, Walther Bothe y Hans Geiger desarrollaron independientemente un método similar.
Rayos X
En 1923, Compton se mudó a la Universidad de Chicago como Profesor de Física, puesto que ocuparía durante los próximos 22 años. En 1925, demostró que la dispersión de rayos X de 130.000 voltios de los primeros dieciséis elementos de la tabla periódica hidrógeno a azufre estaban polarizados, resultado predicho por J. J. Thomson. William Duane de la Universidad de Harvard encabezó un esfuerzo para probar que la interpretación de Compton del efecto Compton era incorrecta. Duane realizó una serie de experimentos para refutar a Compton, pero en su lugar encontró evidencia de que Compton tenía razón. En 1924, Duane concedió que ese era el caso.
Compton investigó el efecto de los rayos X en los núcleos de sodio y cloro en la sal. Utilizó rayos X para investigar el ferromagnetismo, concluyendo que era resultado de la alineación de los espines de los electrones. En 1926, se convirtió en consultor del Departamento de Lámparas en General Electric. En 1934, regresó a Inglaterra como profesor visitante de Eastman en la Universidad de Oxford. Mientras estaba allí, General Electric le pidió que informara sobre las actividades en el laboratorio de investigación de General Electric Company plc en Wembley. Compton estaba intrigado por las posibilidades de la investigación allí en lámparas fluorescentes. Su informe impulsó un programa de investigación en América que la desarrolló.
El primer libro de Compton, Rayos X y Electrones, fue publicado en 1926. En él mostró cómo calcular las densidades de materiales difractantes a partir de sus patrones de difracción de rayos X. Revisó su libro con la ayuda de Samuel K. Allison para producir Rayos X en Teoría y Experimento 1935. Esta obra siguió siendo una referencia estándar durante los siguientes tres decenios.
Rayos cósmicos
A principios de los años 30, Compton había desarrollado interés en los rayos cósmicos. En ese momento, se conocía su existencia pero su origen y naturaleza seguían siendo especulativos. Su presencia podía detectarse usando una "bomba" esférica que contenía aire comprimido o gas de argón y midiendo su conductividad eléctrica. Viajes a Europa, India, México, Perú y Australia le dieron a Compton la oportunidad de medir rayos cósmicos a diferentes altitudes y latitudes. Junto con otros grupos que realizaron observaciones alrededor del globo, encontraron que los rayos cósmicos eran 15% más intensos en los polos que en el ecuador. Compton atribuyó esto al efecto de los rayos cósmicos estando compuestos principalmente de partículas cargadas, en lugar de fotones como había sugerido Robert Millikan, siendo el efecto de latitud debido al campo magnético de la Tierra.
Proyecto Manhattan
En abril de 1941, Vannevar Bush, jefe del Comité Nacional de Investigación de Defensa NDRC en tiempos de guerra, creó un comité especial encabezado por Compton para informar sobre el programa de uranio NDRC. El informe de Compton, que fue presentado en mayo de 1941, preveía las perspectivas de desarrollar armas radiológicas, propulsión nuclear para barcos y armas nucleares utilizando uranio-235 o el plutonio recientemente descubierto. En octubre escribió otro informe sobre la practicidad de una bomba atómica. Para este informe, trabajó con Enrico Fermi en cálculos de la masa crítica de uranio-235, estimándola conservadoramente entre 20 kilogramos 44 lb y 2 toneladas 2,0 toneladas largas; 2,2 toneladas cortas. También discutió las perspectivas de enriquecimiento de uranio con Harold Urey, habló con Eugene Wigner sobre cómo podría producirse plutonio en un reactor nuclear, y con Robert Serber sobre cómo el plutonio producido en un reactor podría separarse del uranio. Su informe, presentado en noviembre, indicó que una bomba era factible, aunque fue más conservador respecto a su poder destructivo que Mark Oliphant y sus colegas británicos.
El borrador final del informe de noviembre de Compton no mencionaba el uso de plutonio, pero después de discutir la investigación más reciente con Ernest Lawrence, Compton quedó convencido de que una bomba de plutonio también era factible. En diciembre, Compton fue puesto a cargo del proyecto de plutonio. Esperaba lograr una reacción en cadena controlada para enero de 1943 y tener una bomba para enero de 1945. Para abordar el problema, concentró los diferentes grupos de investigación que trabajaban en plutonio y diseño de reactores nucleares de la Universidad de Columbia, la Universidad de Princeton y la Universidad de California, Berkeley, juntos como el Laboratorio Metalúrgico en Chicago. Sus objetivos eran producir reactores para convertir uranio en plutonio, encontrar formas de separar químicamente el plutonio del uranio, y diseñar y construir una bomba atómica.
En junio de 1942, el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos asumió el control del programa de armas nucleares y el Laboratorio Metalúrgico de Compton se convirtió en parte del Proyecto Manhattan. Ese mes, Compton le dio a Robert Oppenheimer la responsabilidad del diseño de la bomba. Le tocó a Compton decidir cuál de los diferentes tipos de diseños de reactores que los científicos del Laboratorio Metalúrgico habían ideado debería ser perseguido, incluso
