科学の恩恵は物質的なものだけではありません。科学が教える真理は世界中で共通の関心事です。科学の言語は普遍的であり、世界の人々を近づける強力な力です。
Arthur Holly Comptonはアメリカの物理学者で、1923年のCompton効果の発見により1927年にノーベル物理学賞を受賞しました。Compton効果は電磁放射線の粒子性を実証しました。当時、これは驚くべき発見でした。光の波動性はよく実証されていましたが、光が波と粒子の両方の性質を持つという考えは容易には受け入れられませんでした。彼はまた、シカゴ大学のManhattan Projectの冶金研究所のリーダーシップで知られており、1945年から1953年までセントルイスのWashington University の学長を務めました。
1919年、Comptonは海外で研究することを可能にした最初の2つのNational Research Council Fellowshipの1つを受賞しました。彼はイングランドのCambridge大学のCavendish Laboratoryに行くことを選択し、ガンマ線の散乱と吸収を研究しました。これらの研究をさらに進めた結果、Compton効果の発見につながりました。彼はX線を使用して強磁性を調査し、それが電子スピンの整列の結果であると結論付けました。また宇宙線を研究し、それが主に正に帯電した粒子で構成されていることを発見しました。
第二次世界大戦中、Comptonは最初の核兵器を開発したManhattan Projectの主要人物でした。彼の報告はプロジェクトの開始に重要でした。1942年、彼はMetallurgical Laboratoryの長になり、ウランをプルトニウムに変換する核反応炉を製造し、ウランからプルトニウムを分離する方法を見つけ、原子爆弾を設計する責任を負いました。Comptonは1942年12月2日に臨界に達した最初の核反応炉であるChicago Pile-1のEnrico Fermiの創造を監督しました。Metallurgical Laboratoryはテネシー州Oak RidgeのX-10 Graphite Reactorの設計と運用についても責任を負いました。プルトニウムは1945年にHanford Site反応炉で製造され始めました。
戦後、ComptonはセントルイスのWashington Universityの学長になりました。在任中、大学は学部課程を公式に人種統合し、最初の女性正教授を任命し、戦時中の退役軍人がアメリカに戻った後、記録的な数の学生を入学させました。
初期の人生
Arthur Comptonは1892年9月10日、オハイオ州Woosterで、Eliasと1939年にAmerican Mother of the Yearに選ばれたOtelia Catherine née Augspurger Comptonの息子として生まれました。彼らは学問的な家族でした。Eliasはuniversity of Woosterの後のCollege of Woosterの学部長であり、Arthurもそこに通いました。Arthurの長兄Karlもwoosterに通い、1912年にPrinceton Universityで物理学の博士号を取得し、1930年から1948年までMassachusetts Institute of Technologyの大統領を務めました。彼の次兄Wilsonも同様にWoosterに通い、1916年にPrincetonで経済学の博士号を取得し、1944年から1951年までState College of Washington、後のWashington State Universityの大統領を務めました。3人の兄弟すべてがAlpha Tau Omegaの友愛団体のメンバーでした。
Comptonは最初天文学に興味を持ち、1910年にHalley's Cometの写真を撮りました。1913年頃、彼は円形チューブ内の水の運動の検査が地球の回転を実証した実験を説明しました。その年、彼はWoosterからBachelor of Science学位で卒業し、Princetonに入学し、1914年にMaster of Arts学位を取得しました。Comptonはその後、Hereward L. Cookeの監督下でPhD物理学を研究し、X線反射の強度と原子内の電子の分布についての論文を書きました。
Arthur ComptonがPHDを1916年に取得したとき、彼、Karl、Wilsonはプリンストンから博士号を取得した最初の3人の兄弟グループになりました。後に、彼らはアメリカの大学の長を同時に務めた最初のそのようなトリオになるでしょう。彼らの妹Maryは宣教師C. Herbert Riceと結婚し、彼はラホールのForman Christian Collegeの校長になりました。1916年6月、ComptonはWoosterの同窓生で同級生のBetty Charity McCloskeyと結婚しました。彼らは2人の息子、Arthur Alan ComptonとJohn Joseph Comptonを持っていました。
Comptonは1916年から1917年までMinnesota Universityで物理学の講師として1年間を過ごし、その後ピッツバーグのWestinghouse Lamp Companyで研究エンジニアとして2年間、ナトリウム蒸気ランプの開発に取り組みました。第一次世界大戦中、彼は信号隊のための航空機計器を開発しました。
1919年、Comptonは海外で研究することを可能にした最初の2つのNational Research Council Fellowshipの1つを受賞しました。彼はイングランドのCambridge大学のCavendish Laboratoryに行くことを選択しました。J. J. Thomsonの息子George Paget Thomsonと協力して、Comptonはガンマ線の散乱と吸収を研究しました。彼は散乱光線が元の源よりも容易に吸収されることを観察しました。ComptonはCavendish科学者、特にErnest Rutherford、Charles Galton Darwin、Arthur Eddingtonに大きな感銘を受け、最終的に彼は次男をJ. J. Thomsonにちなんで名付けました。
一時、Comptonはバプテスト教会の執事でした。「科学は、」彼は言いました、「人間が彼の子どもであるような神を想定する宗教との争いを持つことはできません。」
キャリア
Compton効果
アメリカに戻って、Comptonは1920年にセントルイスのWashington Universityの物理学のWayman Crow教授およびPhysics Department の長に任命されました。1922年、彼は自由電子によって散乱されたX線量子が入射X線よりも長い波長を持ち、Planckの関係に従って、より少ないエネルギーを持ち、余分なエネルギーが電子に転送されたことを発見しました。この発見は「Compton効果」または「Compton散乱」として知られており、電磁放射線の粒子概念を実証しました。
1923年、ComptonはPhysical Reviewで論文を発表し、Einsteinが光電効果の1905年のノーベル賞受賞説明に引き入れた光子への粒子のような運動量を帰する事により、X線シフトを説明しました。1900年にMax Planckによって最初に提唱された、これらは光の「量子化された」要素として概念化され、光の周波数にのみ依存する特定の量のエネルギーを含みました。彼の論文で、Comptonは、散乱された各X線光子が1つの電子とのみ相互作用したと仮定することにより、波長シフトと散乱角の間の数学的関係を導き出しました。彼の論文は彼の導き出された関係を検証した実験について報告することで結論づけています：
量h⁄mecはCompton波長の電子として知られています。これは2.43×10−12 mに等しい。波長シフトλ′ − λはθ = 0°で0から電子のCompton波長の2倍の間でθ = 180°です。彼は、大きな角度を通じて散乱されているにもかかわらず、波長シフトを経験していないいくつかのX線を発見しました。これらの各場合において、光子は電子を噴出するのに失敗しました。したがって、シフトの大きさは電子のCompton波長ではなく、原子全体のCompton波長に関連しており、これは10,000倍以上小さい可能性があります。
「1923年にアメリカ物理学会の会議で私の結果を発表したとき、」Comptonは後に想起しました、「それは私が知っている最も激しく争われた科学的論争を開始しました。」光の波動性はよく実証されていましたが、それが二重の性質を持つことができたという考えは容易には受け入れられませんでした。特に結晶格子での回折は、その波動性への参照でのみ説明することができたことは特に語られていました。それはComptonに1927年のノーベル物理学賞を獲得させました。ComptonとAlfred W. Simonは、個々の散乱X線光子と反跳電子を同時に観察する方法を開発しました。ドイツでは、Walther BotheとHans Geigerは独立して同様の方法を開発しました。
X線
1923年、Comptonはシカゴ大学に物理学教授として移転し、その後22年間その地位を占めました。1925年、彼は周期表の最初の16元素（水素から硫黄）からの130,000ボルトのX線の散乱がJ. J. Thomsonによって予測された結果である偏光されていることを実証しました。Harvard UniversityのWilliam DuaneはComptonのCompton効果の解釈が間違っていることを証明するための努力を主導しました。Duaneはcomptonを反証するための一連の実験を実施しましたが、代わりにComptonが正しかったという証拠を見つけました。1924年、Duaneはこれが事実であることを認めました。
Comptonは塩中のナトリウムと塩素核に対するX線の効果を調査しました。彼はX線を使用して強磁性を調査し、電子スピンの整列の結果であると結論付けました。1926年、彼はGeneral Electricのランプ部門のコンサルタントになりました。1934年、彼はOxford Universityのeastman訪問教授としてイングランドに戻りました。そこにいる間、General ElectricはWembleyのGeneral Electric Company plcの研究室での活動を報告するよう彼に依頼しました。Comptonはそこでの蛍光灯の研究の可能性に興味をそそられました。彼の報告はそれを開発したアメリカの研究プログラムを促しました。
Comptonの最初の本「X-Rays and Electrons」は1926年に公開されました。その中で、彼はX線回折パターンから回折材料の密度を計算する方法を示しました。彼はSamuel K. Allisonの助けを借りて彼の本を改訂して「X-Rays in Theory and Experiment 1935」を作成しました。この作品は次の3十年間標準的な参考文献のままでした。
宇宙線
1930年代初期までに、Comptonは宇宙線に興味を持つようになりました。当時、その存在は知られていましたが、その起源と性質は推測的なままでした。その存在は、圧縮空気またはアルゴンガスを含む球形の「爆弾」を使用して、その電気伝導度を測定することで検出できました。ヨーロッパ、インド、メキシコ、ペルー、オーストラリアへの旅行はComptonに異なる高度と緯度で宇宙線を測定する機会を与えました。世界中で観測を行った他のグループとともに、彼らは宇宙線が赤道よりも極で15％より激しかったことを発見しました。Comptonはこれを、Robert Milliganが示唆した光子ではなく、主に帯電した粒子で構成されている宇宙線の効果に帰属させ、緯度効果は地球の磁場によるものでした。
Manhattan Project
1941年4月、戦時中のNational Defense Research Committee NDRCの長であるVannevar Bushは、NDRC ウランプログラムを報告するようComptonが率いる特別委員会を作成しました。1941年5月に提出されたComptonの報告は、放射線兵器を開発する見通し、船舶の核推進、およびウラン235または最近発見されたプルトニウムを使用した核兵器を予見しました。10月、彼は原子爆弾の実用性について別の報告書を書きました。このレポートのために、彼はEnrico Fermiと協力してウラン235の臨界質量の計算を行い、保守的に20キログラム44 lbから2トン2.0ロングトン。2.2ショートトンの間であると推定しました。彼はまた、Harold Ureyとのウラン濃縮の見通しについて議論し、Eugene Wignerとプルトニウムが核反応炉でどのように生成される可能性があるかについて、Robert Serberとプルトニウムが反応炉で生成されたウランから分離される可能性がある方法について話しました。11月に提出された彼の報告書は、爆弾が実行可能であると述べていましたが、彼はMark Oliphantと彼の英国の同僚より破壊力についてより保守的でした。
Comptonの11月の報告書の最終草案はプルトニウムの使用については言及していなかったが、Ernest Lawrenceとの最新の研究について論じた後、Comptonはプルトニウム爆弾も実行可能であると確信するようになりました。12月、Comptonはプルトニウムプロジェクトの責任者に配置されました。彼は1943年1月までに制御された連鎖反応を達成し、1945年1月までに爆弾を持つことを望んでいました。問題に取り組むために、彼はColumbia University、Princeton University、University of California Berkeleyでプルトニウムと核反応炉設計に取り組んでいるさまざまな研究グループをシカゴのMetallurgical Laboratoryとして一緒に集中させました。その目的は、ウランをプルトニウムに変換する反応炉を製造し、ウランからプルトニウムを化学的に分離する方法を見つけ、原子爆弾を設計および構築することでした。
1942年6月、米国陸軍工兵隊は核兵器プログラムの管理を引き継ぎ、ComptonのMetallurgical LaboratoryはManhattan Projectの一部になりました。その月、Comptonは爆弾設計の責任をRobert Oppenheimmerに与えました。Metallurgical Laboratory科学者が考案したさまざまなタイプの反応炉設計のどれを追求すべきかを決定することはComptonに該当しました。
