Благодеяния науки не только материальны. Истины, которые открывает наука, представляют общий интерес во всем мире. Язык науки универсален и является мощной силой, сближающей народы мира.
Arthur Holly Compton был американским физиком, который получил Нобелевскую премию по физике в 1927 году за открытие эффекта Комптона в 1923 году, которое продемонстрировало корпускулярную природу электромагнитного излучения. Это было сенсационным открытием того времени: волновая природа света была хорошо продемонстрирована, но идея о том, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами, была принята не сразу. Он также известен своим руководством Металлургической лаборатории Манхэттенского проекта в Чикагском университете и служил канцлером Вашингтонского университета в Сент-Луисе с 1945 по 1953 год.
В 1919 году Комптону была присуждена одна из первых двух стипендий Национального совета по исследованиям, которые позволили студентам учиться за границей. Он выбрал Лабораторию Кавендиша Кембриджского университета в Англии, где изучал рассеяние и поглощение гамма-лучей. Дальнейшие исследования в этом направлении привели к открытию эффекта Комптона. Он использовал рентгеновские лучи для исследования ферромагнетизма, придя к выводу, что это результат выравнивания спинов электронов, и изучал космические лучи, обнаружив, что они состоят главным образом из позитивно заряженных частиц.
Во время Второй мировой войны Комптон был ключевой фигурой в Манхэттенском проекте, который разработал первое ядерное оружие. Его доклады сыграли важную роль в запуске проекта. В 1942 году он стал руководителем Металлургической лаборатории с ответственностью за производство ядерных реакторов для преобразования урана в плутоний, поиск способов разделения плутония от урана и разработку атомной бомбы. Комптон руководил созданием Enrico Fermi чикагской сваи-1, первого ядерного реактора, который стал критическим 2 декабря 1942 года. Металлургическая лаборатория также отвечала за разработку и эксплуатацию X-10 Graphite Reactor в Oak Ridge, Tennessee. Производство плутония началось в реакторах Hanford Site в 1945 году.
После войны Комптон стал канцлером Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Во время его пребывания в должности университет формально отменил сегрегацию своих отделений бакалавриата, назначил первую женщину полным профессором и набрал рекордное количество студентов после возвращения ветеранов боевых действий в Соединенные Штаты.
Ранние годы
Arthur Compton родился 10 сентября 1892 года в Wooster, Ohio, сын Elias и Otelia Catherine née Augspurger Compton, которая была названа American Mother of the Year в 1939 году. Они были научной семьей. Elias был деканом University of Wooster, позднее College of Wooster, который также посещал Arthur. Старший брат Arthur, Karl, который также посещал Wooster, получил степень доктора философии по физике из Princeton University в 1912 году и был президентом Massachusetts Institute of Technology с 1930 по 1948 год. Его второй брат Wilson также посещал Wooster, получил степень кандидата наук по экономике из Princeton в 1916 году и был президентом State College of Washington, позднее Washington State University с 1944 по 1951 год. Все три брата были членами братства Alpha Tau Omega.
Комптон первоначально интересовался астрономией и сфотографировал комету Галлея в 1910 году. Около 1913 года он описал эксперимент, в котором исследование движения воды в круглой трубке продемонстрировало вращение земли. В том же году он получил степень бакалавра в области естественных наук из Wooster и поступил в Princeton, где получил степень магистра в 1914 году. Затем Комптон учился на степень кандидата наук по физике под руководством Hereward L. Cooke, написав диссертацию на тему The Intensity of X-Ray Reflection, and the Distribution of the Electrons in Atoms.
Когда Arthur Compton получил степень кандидата наук в 1916 году, он, Karl и Wilson стали первой группой трех братьев, получивших степени кандидата наук из Princeton. Позже они стали первой такой тройкой, одновременно руководившей американскими колледжами. Их сестра Mary вышла замуж за миссионера C. Herbert Rice, который стал директором Forman Christian College в Lahore. В июне 1916 года Комптон женился на Betty Charity McCloskey, однокласснице и соучаснице из Wooster. У них было два сына, Arthur Alan Compton и John Joseph Compton.
Комптон работал год инструктором по физике в University of Minnesota в 1916–17 гг., затем два года инженером-исследователем в компании Westinghouse Lamp Company в Pittsburgh, где работал над разработкой натриевой лампы. Во время Первой мировой войны он разработал приборы для самолетов для Signal Corps.
В 1919 году Комптону была присуждена одна из первых двух стипендий Национального совета по исследованиям, которые позволили студентам учиться за границей. Он выбрал Лабораторию Кавендиша Кембриджского университета в Англии. Работая с George Paget Thomson, сыном J. J. Thomson, Комптон изучал рассеяние и поглощение гамма-лучей. Он заметил, что рассеянные лучи поглощались легче, чем исходный источник. Комптон был глубоко впечатлен учеными Кавендиша, особенно Ernest Rutherford, Charles Galton Darwin и Arthur Eddington, и в конце концов назвал своего второго сына в честь J. J. Thomson.
Некоторое время Комптон был дьяконом баптистской церкви. «Наука не может конфликтовать», сказал он, «с религией, которая предполагает Бога, для которого люди являются его детьми».
Карьера
Эффект Комптона
Вернувшись в Соединенные Штаты, Комптон был назначен профессором физики Wayman Crow и руководителем кафедры физики в Вашингтонском университете в Сент-Луисе в 1920 году. В 1922 году он обнаружил, что рентгеновские кванты, рассеянные свободными электронами, имели более длинные волны и, в соответствии с соотношением Планка, меньше энергии, чем входящие рентгеновские лучи, избыточная энергия была передана электронам. Это открытие, известное как «эффект Комптона» или «рассеяние Комптона», продемонстрировало корпускулярную концепцию электромагнитного излучения.
В 1923 году Комптон опубликовал статью в Physical Review, которая объяснила смещение рентгеновского излучения, приписав фотонам корпускулярный импульс, что Einstein применил для своего объяснения фотоэффекта, удостоенного Нобелевской премии в 1905 году. Впервые постулированные Max Planck в 1900 году, они были концептуализированы как элементы света, «квантованные» содержанием определенного количества энергии, зависящей только от частоты света. В своей статье Комптон вывел математическое соотношение между сдвигом длины волны и углом рассеяния рентгеновских лучей, предполагая, что каждый рассеянный рентгеновский фотон взаимодействует только с одним электроном. Его статья завершается докладом об экспериментах, подтвердивших его выведенное соотношение:
Величина h⁄mec известна как длина волны Комптона электрона; она равна 2.43×10−12 m. Сдвиг длины волны λ′ − λ лежит между нулем для θ = 0° и удвоенной длиной волны Комптона электрона для θ = 180°. Он обнаружил, что некоторые рентгеновские лучи не испытали сдвига длины волны, несмотря на то, что были рассеяны на большие углы; в каждом из этих случаев фотон не смог выбить электрон. Таким образом, величина смещения связана не с длиной волны Комптона электрона, а с длиной волны Комптона всего атома, которая может быть в 10 000 раз меньше.
«Когда я представил свои результаты на собрании American Physical Society в 1923 году», позже вспомнил Комптон, «это вызвало самую горячо обсуждаемую научную полемику, которую я когда-либо знал». Волновая природа света была хорошо продемонстрирована, и идея о том, что она может иметь двойственную природу, была принята не сразу. Было особенно показательно, что дифракцию в кристаллической решетке можно было объяснить только со ссылкой на ее волновую природу. Это принесло Комптону Нобелевскую премию по физике в 1927 году. Комптон и Alfred W. Simon разработали метод одновременного наблюдения отдельных рассеянных рентгеновских фотонов и откатывающихся электронов. В Германии Walther Bothe и Hans Geiger независимо разработали аналогичный метод.
Рентгеновские лучи
В 1923 году Комптон переехал в Чикагский университет в качестве профессора физики, должность которого он занимал в течение следующих 22 лет. В 1925 году он продемонстрировал, что рассеяние 130 000-вольтных рентгеновских лучей от первых шестнадцати элементов периодической таблицы водорода через серу были поляризованы, результат, предсказанный J. J. Thomson. William Duane из Harvard University возглавил усилия, чтобы доказать, что интерпретация Комптоном эффекта Комптона была неправильной. Duane провел серию экспериментов, чтобы опровергнуть Комптона, но вместо этого нашел свидетельства того, что Комптон был прав. В 1924 году Duane признал, что это было так.
Комптон исследовал влияние рентгеновских лучей на ядра натрия и хлора в соли. Он использовал рентгеновские лучи для исследования ферромагнетизма, придя к выводу, что это результат выравнивания спинов электронов. В 1926 году он стал консультантом отделения ламп в General Electric. В 1934 году он вернулся в Англию в качестве гостящего профессора Eastman в Oxford University. Там General Electric попросила его доложить о деятельности в исследовательской лаборатории General Electric Company plc в Wembley. Комптона интересовали возможности проводимых там исследований флуоресцентных ламп. Его доклад побудил исследовательскую программу в Америке, которая разработала его.
Первая книга Комптона, X-Rays and Electrons, была опубликована в 1926 году. В ней он показал, как рассчитать плотности дифрагирующих материалов из их картин рентгеновской дифракции. Он пересмотрел свою книгу с помощью Samuel K. Allison, чтобы создать X-Rays in Theory and Experiment 1935. Эта работа остается стандартным справочником на следующие три десятилетия.
Космические лучи
К началу 1930-х годов Комптон заинтересовался космическими лучами. В то время их существование было известно, но их происхождение и природа оставались спекулятивными. Их наличие можно было обнаружить с помощью сферической «бомбы», содержащей сжатый воздух или газ аргон, и измерения его электрической проводимости. Поездки в Европу, Индию, Мексику, Перу и Австралию дали Комптону возможность измерять космические лучи на разных высотах и широтах. Вместе с другими группами, которые проводили наблюдения по всему миру, они обнаружили, что космические лучи были на 15% более интенсивными на полюсах, чем на экваторе. Комптон приписал это эффекту того, что космические лучи состоят главным образом из заряженных частиц, а не фотонов, как предполагал Robert Millikan, причем эффект широты был обусловлен магнитным полем Земли.
Манхэттенский проект
В апреле 1941 года Vannevar Bush, глава военного Национального комитета по исследованиям обороны NDRC, создал специальный комитет под руководством Комптона для доклада о программе NDRC по урану. Доклад Комптона, поданный в мае 1941 года, предусмотрел перспективы разработки радиологического оружия, ядерных движителей для кораблей и ядерного оружия с использованием урана-235 или недавно открытого плутония. В октябре он написал еще один доклад о практичности атомной бомбы. Для этого доклада он работал с Enrico Fermi над расчетами критической массы урана-235, консервативно оценив ее между 20 килограммами 44 lb и 2 тоннами 2.0 long tons; 2.2 short tons. Он также обсудил перспективы обогащения урана с Harold Urey, поговорил с Eugene Wigner о том, как плутоний может быть произведен в ядерном реакторе, и с Robert Serber о том, как плутоний, произведенный в реакторе, может быть отделен от урана. Его доклад, поданный в ноябре, указывал, что бомба была осуществима, хотя он был более консервативен в отношении ее разрушительной силы, чем Mark Oliphant и его британские коллеги.
Последний вариант доклада Комптона за ноябрь не содержал упоминаний об использовании плутония, но после обсуждения последних исследований с Ernest Lawrence Комптон стал убежден, что плутониевая бомба также была осуществима. В декабре Комптон был поставлен во главе проекта плутония. Он надеялся достичь управляемой цепной реакции к январю 1943 года и иметь бомбу к январю 1945 года. Чтобы решить эту проблему, он сконцентрировал различные исследовательские группы, работающие над плутонием и разработкой ядерных реакторов в Columbia University, Princeton University и University of California, Berkeley, вместе как Металлургическую лабораторию в Chicago. Её целями было производство реакторов для преобразования урана в плутоний, поиск способов химического разделения плутония от урана и разработка и строительство атомной бомбы.
В июне 1942 года США Army Corps of Engineers взяли под контроль программу ядерного оружия и Металлургическая лаборатория Комптона стала частью Манхэттенского проекта. В том же месяце Комптон дал Robert Oppenheimer ответственность за разработку бомбы. Комптону пришлось решить, какой из различных типов конструкций реакторов, разработанных учеными Металлургической лаборатории, следует преследовать, даже
