Os benefícios da ciência não são apenas materiais. As verdades que a ciência ensina são de interesse comum em todo o mundo. A linguagem da ciência é universal e é uma força poderosa na aproximação dos povos do mundo.
Arthur Holly Compton foi um físico americano que ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1927 pela sua descoberta em 1923 do efeito Compton, que demonstrou a natureza de partícula da radiação eletromagnética. Foi uma descoberta sensacional na época: a natureza ondulatória da luz havia sido bem demonstrada, mas a ideia de que a luz tinha propriedades tanto ondulatórias quanto de partícula não foi facilmente aceita. Ele também é conhecido pela sua liderança do Laboratório de Metalurgia do Projeto Manhattan na Universidade de Chicago, e serviu como Chanceler da Universidade de Washington em St. Louis de 1945 a 1953.
Em 1919, Compton recebeu uma das primeiras duas Bolsas do Conselho Nacional de Pesquisa que permitiam aos estudantes estudar no exterior. Ele escolheu ir para o Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge na Inglaterra, onde estudou o espalhamento e absorção de raios gama. Pesquisas posteriores nessas linhas levaram à descoberta do efeito Compton. Ele usou raios X para investigar o ferromagnetismo, concluindo que era um resultado do alinhamento dos spins dos elétrons, e estudou raios cósmicos, descobrindo que eram compostos principalmente de partículas carregadas positivamente.
Durante a Segunda Guerra Mundial, Compton foi uma figura-chave no Projeto Manhattan que desenvolveu as primeiras armas nucleares. Seus relatórios foram importantes para o lançamento do projeto. Em 1942, tornou-se chefe do Laboratório de Metalurgia, com responsabilidade de produzir reatores nucleares para converter urânio em plutônio, encontrando maneiras de separar o plutônio do urânio e de projetar uma bomba atômica. Compton supervisionou a criação do Chicago Pile-1 por Enrico Fermi, o primeiro reator nuclear, que se tornou crítico em 2 de dezembro de 1942. O Laboratório de Metalurgia também foi responsável pelo projeto e operação do Reator de Grafite X-10 em Oak Ridge, Tennessee. O plutônio começou a ser produzido nos reatores do Hanford Site em 1945.
Após a guerra, Compton tornou-se Chanceler da Universidade de Washington em St. Louis. Durante seu mandato, a universidade desegregou formalmente suas divisões de graduação, nomeou sua primeira professora titular mulher e matriculou um número recorde de estudantes após o retorno dos veteranos de guerra aos Estados Unidos.
Primeiros anos
Arthur Compton nasceu em 10 de setembro de 1892, em Wooster, Ohio, filho de Elias e Otelia Catherine née Augspurger Compton, que foi nomeada Mãe Americana do Ano em 1939. Eram uma família acadêmica. Elias era reitor da Universidade de Wooster, mais tarde o College of Wooster, que Arthur também frequentou. O irmão mais velho de Arthur, Karl, que também frequentou Wooster, ganhou um grau de Doutor em Filosofia em física da Universidade de Princeton em 1912, e foi presidente do Instituto de Tecnologia de Massachusetts de 1930 a 1948. Seu segundo irmão Wilson também frequentou Wooster, ganhou seu PhD em economia de Princeton em 1916 e foi presidente do State College of Washington, mais tarde Universidade de Washington State de 1944 a 1951. Os três irmãos eram membros da fraternidade Alpha Tau Omega.
Compton estava inicialmente interessado em astronomia e tirou uma fotografia do Cometa Halley em 1910. Por volta de 1913, ele descreveu um experimento onde um exame do movimento da água em um tubo circular demonstrou a rotação da terra. Naquele ano, ele se formou em Wooster com um grau de Bacharelado em Ciências e entrou em Princeton, onde recebeu seu grau de Mestrado em Artes em 1914. Compton então estudou seu PhD em física sob a supervisão de Hereward L. Cooke, escrevendo sua dissertação sobre A Intensidade da Reflexão de Raios X e a Distribuição dos Elétrons nos Átomos.
Quando Arthur Compton ganhou seu PhD em 1916, ele, Karl e Wilson se tornaram o primeiro grupo de três irmãos a ganhar PhDs de Princeton. Depois, eles se tornariam o primeiro trio desse tipo a presidir simultaneamente faculdades americanas. Sua irmã Mary casou com um missionário, C. Herbert Rice, que se tornou o diretor do Forman Christian College em Lahore. Em junho de 1916, Compton casou com Betty Charity McCloskey, uma colega de classe de Wooster e fellow graduate. Eles tiveram dois filhos, Arthur Alan Compton e John Joseph Compton.
Compton passou um ano como instrutor de física na Universidade de Minnesota em 1916–17, depois dois anos como engenheiro de pesquisa com a Westinghouse Lamp Company em Pittsburgh, onde trabalhou no desenvolvimento da lâmpada de vapor de sódio. Durante a Primeira Guerra Mundial, ele desenvolveu instrumentação de aeronaves para o Signal Corps.
Em 1919, Compton foi premiado com uma das primeiras duas Bolsas do Conselho Nacional de Pesquisa que permitiam aos estudantes estudar no exterior. Ele escolheu ir para o Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge na Inglaterra. Trabalhando com George Paget Thomson, filho de J. J. Thomson, Compton estudou o espalhamento e absorção de raios gama. Ele observou que os raios espalhados eram mais facilmente absorvidos do que a fonte original. Compton ficou muito impressionado pelos cientistas do Cavendish, especialmente Ernest Rutherford, Charles Galton Darwin e Arthur Eddington, e ele finalmente nomeou seu segundo filho em homenagem a J. J. Thomson.
Por um tempo Compton foi diácono em uma igreja batista. "A ciência não pode ter nenhuma disputa", ele disse, "com uma religião que postula um Deus ao qual os homens são como seus filhos."
Carreira
Efeito Compton
Retornando aos Estados Unidos, Compton foi nomeado Professor Wayman Crow de Física e Chefe do Departamento de Física da Universidade de Washington em St. Louis em 1920. Em 1922, ele descobriu que os quanta de raios X espalhados por elétrons livres tinham comprimentos de onda mais longos e, de acordo com a relação de Planck, menos energia do que os raios X incidentes, a energia excedente tendo sido transferida para os elétrons. Esta descoberta, conhecida como o "efeito Compton" ou "espalhamento Compton", demonstrou o conceito de partícula da radiação eletromagnética.
Em 1923, Compton publicou um artigo na Physical Review que explicou o desvio de raios X atribuindo momento semelhante a partículas aos fótons, algo que Einstein tinha invocado para sua explicação do efeito fotoelétrico que ganhou o Prêmio Nobel em 1905. Postulado pela primeira vez por Max Planck em 1900, estes foram conceitualizados como elementos de luz "quantizados" por conter uma quantidade específica de energia dependendo apenas da frequência da luz. Em seu artigo, Compton derivou a relação matemática entre o desvio no comprimento de onda e o ângulo de espalhamento dos raios X assumindo que cada fóton de raio X espalhado interagisse com apenas um elétron. Seu artigo conclui reportando experimentos que verificaram sua relação derivada:
A quantidade h⁄mec é conhecida como o comprimento de onda Compton do elétron; é igual a 2,43×10−12 m. O desvio do comprimento de onda λ′ − λ situa-se entre zero para θ = 0° e duas vezes o comprimento de onda Compton do elétron para θ = 180°. Ele descobriu que alguns raios X não experimentavam desvio de comprimento de onda apesar de serem espalhados através de grandes ângulos; em cada um desses casos o fóton não conseguiu ejetar um elétron. Assim, a magnitude do desvio não está relacionada ao comprimento de onda Compton do elétron, mas ao comprimento de onda Compton do átomo inteiro, que pode ser de até 10.000 vezes menor.
"Quando apresentei meus resultados em uma reunião da American Physical Society em 1923", Compton lembrou depois, "iniciou a controvérsia científica mais calurosamente contestada que jamais conheci." A natureza ondulatória da luz havia sido bem demonstrada, e a ideia de que poderia ter uma natureza dupla não foi facilmente aceita. Foi particularmente revelador que a difração em uma rede cristalina pudesse ser explicada apenas com referência à sua natureza ondulatória. Isso rendeu a Compton o Prêmio Nobel de Física em 1927. Compton e Alfred W. Simon desenvolveram o método para observar no mesmo instante fótons de raios X espalhados individuais e os elétrons de recuo. Na Alemanha, Walther Bothe e Hans Geiger desenvolveram independentemente um método semelhante.
Raios X
Em 1923, Compton mudou-se para a Universidade de Chicago como Professor de Física, cargo que ocuparia pelos próximos 22 anos. Em 1925, demonstrou que o espalhamento de raios X de 130.000 volts dos primeiros dezesseis elementos da tabela periódica hidrogênio através do enxofre foram polarizados, um resultado previsto por J. J. Thomson. William Duane da Universidade de Harvard liderou um esforço para provar que a interpretação de Compton do efeito Compton estava errada. Duane realizou uma série de experimentos para refutar Compton, mas em vez disso encontrou evidências de que Compton estava correto. Em 1924, Duane concedeu que este era o caso.
Compton investigou o efeito dos raios X nos núcleos de sódio e cloro no sal. Ele usou raios X para investigar o ferromagnetismo, concluindo que era um resultado do alinhamento dos spins dos elétrons. Em 1926, tornou-se consultor do Departamento de Lâmpadas da General Electric. Em 1934, retornou à Inglaterra como professor visitante Eastman na Universidade de Oxford. Enquanto estava lá, a General Electric pediu-lhe que relatasse sobre atividades no laboratório de pesquisa da General Electric Company plc em Wembley. Compton ficou intrigado pelas possibilidades da pesquisa lá em lâmpadas fluorescentes. Seu relatório levou a um programa de pesquisa na América que desenvolveu o assunto.
O primeiro livro de Compton, X-Rays and Electrons, foi publicado em 1926. Nele mostrou como calcular as densidades dos materiais que diferem a partir de seus padrões de difração de raios X. Ele revisou seu livro com a ajuda de Samuel K. Allison para produzir X-Rays in Theory and Experiment 1935. Este trabalho permaneceu uma referência padrão pelos próximos três décadas.
Raios cósmicos
No início dos anos 1930, Compton havia se interessado por raios cósmicos. Na época, sua existência era conhecida mas sua origem e natureza permaneciam especulativas. Sua presença poderia ser detectada usando uma "bomba" esférica contendo ar comprimido ou gás argônio e medindo sua condutividade elétrica. Viagens para Europa, Índia, México, Peru e Austrália deram a Compton a oportunidade de medir raios cósmicos em diferentes altitudes e latitudes. Juntamente com outros grupos que fizeram observações em todo o globo, descobriram que raios cósmicos eram 15% mais intensos nos polos do que no equador. Compton atribuiu isso ao efeito de raios cósmicos sendo compostos principalmente de partículas carregadas, em vez de fótons como Robert Millikan havia sugerido, com o efeito de latitude sendo devido ao campo magnético da Terra.
Projeto Manhattan
Em abril de 1941, Vannevar Bush, chefe do Comitê Nacional de Pesquisa de Defesa em tempos de guerra NDRC, criou um comitê especial chefiado por Compton para relatar sobre o programa de urânio do NDRC. O relatório de Compton, que foi submetido em maio de 1941, previa as perspectivas de desenvolvimento de armas radiológicas, propulsão nuclear para navios e armas nucleares usando urânio-235 ou o plutônio recentemente descoberto. Em outubro, ele escreveu outro relatório sobre a viabilidade de uma bomba atômica. Para este relatório, ele trabalhou com Enrico Fermi em cálculos da massa crítica de urânio-235, estimando-a conservadoramente em estar entre 20 quilogramas 44 lb e 2 toneladas 2,0 toneladas longas; 2,2 toneladas curtas. Ele também discutiu as perspectivas de enriquecimento de urânio com Harold Urey, conversou com Eugene Wigner sobre como o plutônio poderia ser produzido em um reator nuclear, e com Robert Serber sobre como o plutônio produzido em um reator poderia ser separado do urânio. Seu relatório, submetido em novembro, afirmava que uma bomba era viável, embora fosse mais conservador sobre seu poder destrutivo do que Mark Oliphant e seus colegas britânicos.
O rascunho final do relatório de novembro de Compton não mencionava o uso de plutônio, mas após discutir a pesquisa mais recente com Ernest Lawrence, Compton se convenceu de que uma bomba de plutônio também era viável. Em dezembro, Compton foi colocado no comando do projeto de plutônio. Ele esperava alcançar uma reação em cadeia controlada por janeiro de 1943, e ter uma bomba por janeiro de 1945. Para enfrentar o problema, ele havia concentrado os diferentes grupos de pesquisa que trabalhavam em plutônio e design de reatores nucleares na Universidade de Columbia, Universidade de Princeton e Universidade da Califórnia em Berkeley, reunidos como o Laboratório de Metalurgia em Chicago. Seus objetivos eram produzir reatores para converter urânio em plutônio, encontrar maneiras de separar quimicamente o plutônio do urânio e projetar e construir uma bomba atômica.
Em junho de 1942, o United States Army Corps of Engineers assumiu o controle do programa de armas nucleares e o Laboratório de Metalurgia de Compton se tornou parte do Projeto Manhattan. Naquele mês, Compton deu a Robert Oppenheimer responsabilidade pelo design da bomba. Cabia a Compton decidir qual dos diferentes tipos de designs de reator que os cientistas do Laboratório de Metalurgia desenvolveram deveria ser perseguido, mesmo
