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Arthur Holly Compton era un fisico americano che ha vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 1927 per la sua scoperta nel 1923 dell'effetto Compton, che ha dimostrato la natura corpuscolare della radiazione elettromagnetica. Era una scoperta sensazionale all'epoca: la natura ondulatoria della luce era stata ben dimostrata, ma l'idea che la luce avesse sia proprietà ondulatorie che corpuscolari non era facilmente accettata. È anche noto per la sua guida del Laboratorio di Metallurgia del Progetto Manhattan presso l'Università di Chicago, e ha servito come Rettore della Washington University di St. Louis dal 1945 al 1953.
Nel 1919, Compton ha ricevuto una delle prime due Borse di Ricerca del National Research Council che hanno permesso agli studenti di studiare all'estero. Ha scelto di andare al Laboratorio Cavendish dell'Università di Cambridge in Inghilterra, dove ha studiato lo scattering e l'assorbimento dei raggi gamma. Ulteriori ricerche lungo queste linee hanno portato alla scoperta dell'effetto Compton. Ha utilizzato i raggi X per investigare il ferromagnetismo, concludendo che era il risultato dell'allineamento degli spin degli elettroni, e ha studiato i raggi cosmici, scoprendo che erano costituiti principalmente da particelle cariche positivamente.
Durante la Seconda Guerra Mondiale, Compton è stata una figura chiave nel Progetto Manhattan che ha sviluppato le prime armi nucleari. I suoi rapporti sono stati importanti nel lanciare il progetto. Nel 1942, è diventato capo del Laboratorio di Metallurgia, con la responsabilità di produrre reattori nucleari per convertire l'uranio in plutonio, trovare modi per separare il plutonio dall'uranio e progettare una bomba atomica. Compton ha supervisionato la creazione da parte di Enrico Fermi di Chicago Pile-1, il primo reattore nucleare, che è diventato critico il 2 dicembre 1942. Il Laboratorio di Metallurgia è stato anche responsabile della progettazione e del funzionamento del Reattore di Grafite X-10 a Oak Ridge, Tennessee. La produzione di plutonio è iniziata nei reattori del Sito di Hanford nel 1945.
Dopo la guerra, Compton è diventato Rettore della Washington University di St. Louis. Durante il suo mandato, l'università ha formalmente desegregato le sue divisioni universitarie, ha nominato la sua prima donna professore ordinaria e ha iscritto un numero record di studenti dopo il ritorno dei veterani di guerra negli Stati Uniti.
Primi anni di vita
Arthur Compton è nato il 10 settembre 1892 a Wooster, Ohio, figlio di Elias e Otelia Catherine née Augspurger Compton, che è stata nominata American Mother of the Year nel 1939. Erano una famiglia accademica. Elias era preside della University of Wooster, in seguito College of Wooster, che Arthur ha frequentato anche lui. Il fratello maggiore di Arthur, Karl, che ha frequentato anche Wooster, ha conseguito un dottorato di ricerca in fisica dalla Princeton University nel 1912 ed è stato presidente del Massachusetts Institute of Technology dal 1930 al 1948. Suo secondo fratello Wilson ha frequentato anch'egli Wooster, ha conseguito il dottorato in economia da Princeton nel 1916 ed è stato presidente della State College of Washington, in seguito Washington State University dal 1944 al 1951. Tutti e tre i fratelli erano membri della fratellanza Alpha Tau Omega.
Compton era inizialmente interessato all'astronomia e ha fotografato la Cometa di Halley nel 1910. Intorno al 1913, ha descritto un esperimento in cui l'esame del movimento dell'acqua in un tubo circolare ha dimostrato la rotazione della terra. Quell'anno si è laureato da Wooster con una laurea in Scienze e ha entrato a Princeton, dove ha ricevuto la sua laurea magistrale nel 1914. Compton ha poi studiato per il dottorato in fisica sotto la supervisione di Hereward L. Cooke, scrivendo la sua dissertazione su The Intensity of X-Ray Reflection, and the Distribution of the Electrons in Atoms.
Quando Arthur Compton ha conseguito il dottorato nel 1916, lui, Karl e Wilson sono diventati il primo gruppo di tre fratelli a conseguire dottorati da Princeton. In seguito, sarebbero diventati il primo trio di questo tipo a dirigere simultaneamente college americani. Sua sorella Mary ha sposato un missionario, C. Herbert Rice, che è diventato il preside del Forman Christian College a Lahore. Nel giugno 1916, Compton ha sposato Betty Charity McCloskey, una compagna di classe di Wooster e una collega laureata. Hanno avuto due figli, Arthur Alan Compton e John Joseph Compton.
Compton ha trascorso un anno come istruttore di fisica presso l'Università del Minnesota nel 1916-17, quindi due anni come ingegnere di ricerca presso la Westinghouse Lamp Company a Pittsburgh, dove ha lavorato allo sviluppo della lampada a vapore di sodio. Durante la Prima Guerra Mondiale ha sviluppato strumenti per aeromobili per il Signal Corps.
Nel 1919, Compton ha ricevuto una delle prime due Borse di Ricerca del National Research Council che hanno permesso agli studenti di studiare all'estero. Ha scelto di andare al Laboratorio Cavendish dell'Università di Cambridge in Inghilterra. Lavorando con George Paget Thomson, il figlio di J. J. Thomson, Compton ha studiato lo scattering e l'assorbimento dei raggi gamma. Ha osservato che i raggi dispersi erano più facilmente assorbiti della sorgente originale. Compton è stato molto impressionato dagli scienziati del Cavendish, in particolare Ernest Rutherford, Charles Galton Darwin e Arthur Eddington, e ha infine chiamato suo secondo figlio dal nome di J. J. Thomson.
Per un certo periodo Compton è stato un diacono in una chiesa battista. "La scienza non può avere controversie", disse, "con una religione che postula un Dio al quale gli uomini sono come Suoi figli."
Carriera
Effetto Compton
Tornato negli Stati Uniti, Compton è stato nominato Wayman Crow Professor of Physics e Head of the Department of Physics presso la Washington University di St. Louis nel 1920. Nel 1922, ha trovato che i quanti di raggi X dispersi da elettroni liberi avevano lunghezze d'onda più lunghe e, in accordo con la relazione di Planck, meno energia rispetto ai raggi X in entrata, l'energia in eccesso essendo stata trasferita agli elettroni. Questa scoperta, nota come "effetto Compton" o "scattering Compton", ha dimostrato il concetto corpuscolare della radiazione elettromagnetica.
Nel 1923, Compton ha pubblicato un articolo nella Physical Review che ha spiegato lo spostamento dei raggi X attribuendo una quantità di moto simile a particelle ai fotoni, qualcosa che Einstein aveva invocato per la sua spiegazione del 1905 vincente il Premio Nobel dell'effetto fotoelettrico. Postulati per la prima volta da Max Planck nel 1900, questi sono stati concettualizzati come elementi di luce "quantizzati" contenendo una quantità specifica di energia dipendente solo dalla frequenza della luce. Nel suo articolo, Compton ha derivato la relazione matematica tra lo spostamento della lunghezza d'onda e l'angolo di scattering dei raggi X assumendo che ogni fotone di raggi X disperso interagisse con un solo elettrone. Il suo articolo conclude segnalando esperimenti che hanno verificato la sua relazione derivata:
La quantità h⁄mec è nota come la lunghezza d'onda Compton dell'elettrone; è uguale a 2.43×10−12 m. Lo spostamento della lunghezza d'onda λ′ − λ si trova tra zero per θ = 0° e il doppio della lunghezza d'onda Compton dell'elettrone per θ = 180°. Ha trovato che alcuni raggi X non hanno subito spostamenti di lunghezza d'onda nonostante fossero dispersi attraverso angoli grandi; in ognuno di questi casi il fotone non ha riuscito a espellere un elettrone. Pertanto l'entità dello spostamento non è correlata alla lunghezza d'onda Compton dell'elettrone, ma alla lunghezza d'onda Compton dell'intero atomo, che può essere fino a 10.000 volte più piccola.
"Quando ho presentato i miei risultati a una riunione della American Physical Society nel 1923," ha ricordato in seguito Compton, "ha avviato la più violenta controversia scientifica che io abbia mai conosciuto." La natura ondulatoria della luce era stata ben dimostrata, e l'idea che potesse avere una natura duale non era facilmente accettata. Era particolarmente significativo che la diffrazione in un reticolo cristallino potesse essere spiegata solo con riferimento alla sua natura ondulatoria. Ha guadagnato a Compton il Premio Nobel per la Fisica nel 1927. Compton e Alfred W. Simon hanno sviluppato il metodo per osservare nello stesso istante i singoli fotoni di raggi X dispersi e gli elettroni di rinculo. In Germania, Walther Bothe e Hans Geiger hanno sviluppato indipendentemente un metodo simile.
Raggi X
Nel 1923, Compton si è trasferito all'Università di Chicago come Professore di Fisica, una posizione che avrebbe occupato per i prossimi 22 anni. Nel 1925, ha dimostrato che lo scattering di raggi X da 130.000 volt dei primi sedici elementi della tavola periodica da idrogeno a zolfo erano polarizzati, un risultato previsto da J. J. Thomson. William Duane dell'Harvard University ha guidato uno sforzo per provare che l'interpretazione di Compton dell'effetto Compton era sbagliata. Duane ha condotto una serie di esperimenti per confutare Compton, ma ha trovato invece prove che Compton aveva ragione. Nel 1924, Duane ha ammesso che questo era il caso.
Compton ha investigato l'effetto dei raggi X sui nuclei di sodio e cloro nel sale. Ha utilizzato i raggi X per investigare il ferromagnetismo, concludendo che era il risultato dell'allineamento degli spin degli elettroni. Nel 1926, è diventato un consulente per il Dipartimento Lamp presso General Electric. Nel 1934, è tornato in Inghilterra come professore ospite Eastman presso l'Università di Oxford. Mentre era lì General Electric gli ha chiesto di riferire sulle attività presso il laboratorio di ricerca della General Electric Company plc a Wembley. Compton è stato affascinato dalle possibilità della ricerca lì in lampade fluorescenti. Il suo rapporto ha sollecitato un programma di ricerca in America che l'ha sviluppato.
Il primo libro di Compton, X-Rays and Electrons, è stato pubblicato nel 1926. In esso ha mostrato come calcolare le densità dei materiali diffratti dai loro modelli di diffrazione dei raggi X. Ha rivisto il suo libro con l'aiuto di Samuel K. Allison per produrre X-Rays in Theory and Experiment nel 1935. Questo lavoro è rimasto un riferimento standard per i successivi tre decenni.
Raggi cosmici
All'inizio degli anni '30, Compton era diventato interessato ai raggi cosmici. Al tempo, la loro esistenza era nota ma la loro origine e natura rimanevano speculative. La loro presenza poteva essere rilevata utilizzando una "bomba" sferica contenente aria compressa o gas di argo e misurando la sua conducibilità elettrica. I viaggi in Europa, India, Messico, Perù e Australia hanno dato a Compton l'opportunità di misurare i raggi cosmici a diverse altitudini e latitudini. Insieme ad altri gruppi che hanno fatto osservazioni in tutto il globo, hanno trovato che i raggi cosmici erano il 15% più intensi ai poli che all'equatore. Compton ha attribuito ciò all'effetto dei raggi cosmici costituiti principalmente da particelle cariche, piuttosto che da fotoni come aveva suggerito Robert Millikan, con l'effetto della latitudine dovuto al campo magnetico terrestre.
Progetto Manhattan
Ad aprile 1941, Vannevar Bush, capo del National Defense Research Committee NDRC in tempo di guerra, ha creato una commissione speciale guidata da Compton per riferire sul programma di uranio NDRC. Il rapporto di Compton, che è stato presentato nel maggio 1941, ha previsto le prospettive di sviluppare armi radiologiche, propulsione nucleare per navi e armi nucleari utilizzando uranio-235 o il plutonio recentemente scoperto. Ad ottobre ha scritto un altro rapporto sulla praticità di una bomba atomica. Per questo rapporto, ha lavorato con Enrico Fermi su calcoli della massa critica di uranio-235, stimandola conservativamente tra 20 chilogrammi e 2 tonnellate. Ha inoltre discusso le prospettive dell'arricchimento dell'uranio con Harold Urey, ha parlato con Eugene Wigner su come il plutonio potrebbe essere prodotto in un reattore nucleare, e con Robert Serber su come il plutonio prodotto in un reattore potrebbe essere separato dall'uranio. Il suo rapporto, presentato a novembre, affermava che una bomba era fattibile, anche se era più conservatore riguardo al suo potere distruttivo rispetto a Mark Oliphant e ai suoi colleghi britannici.
La bozza finale del rapporto di novembre di Compton non ha fatto menzione dell'uso del plutonio, ma dopo aver discusso le ultime ricerche con Ernest Lawrence, Compton è diventato convinto che una bomba al plutonio era anche fattibile. A dicembre, Compton è stato incaricato del progetto del plutonio. Sperava di conseguire una reazione a catena controllata entro gennaio 1943 e di avere una bomba entro gennaio 1945. Per affrontare il problema, ha avuto i diversi gruppi di ricerca che lavoravano sul plutonio e la progettazione di reattori nucleari presso l'Università di Columbia, la Princeton University e l'Università della California, Berkeley, concentrati insieme come il Laboratorio di Metallurgia a Chicago. I suoi obiettivi erano produrre reattori per convertire uranio a plutonio, trovare modi per separare chimicamente il plutonio dall'uranio e progettare e costruire una bomba atomica.
Nel giugno 1942, l'United States Army Corps of Engineers ha assunto il controllo del programma di armi nucleari e il Laboratorio di Metallurgia di Compton è diventato parte del Progetto Manhattan. Quel mese, Compton ha affidato a Robert Oppenheimer la responsabilità della progettazione della bomba. Spettava a Compton decidere quale dei diversi tipi di progetti di reattore che gli scienziati del Laboratorio di Metallurgia avevano ideato dovrebbe essere perseguito, anche
