Arthur Holly Compton (10 de septiembre de 1892 - 15 de marzo de 1962) 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 de partículas de la radiación electromagnética . Fue un descubrimiento sensacional en ese momento: la naturaleza ondulatoria de la luz había sido bien demostrada, pero la idea de que la luz tenía propiedades tanto de onda como de partícula no fue fácilmente aceptada. También es conocido por su liderazgo en el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago durante el Proyecto Manhattan , y se desempeñó como rector deUniversidad de Washington en St. Louis desde 1945 hasta 1953.
Arthur Compton | |
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Nació | Arthur Holly Compton 10 de septiembre de 1892 Wooster, Ohio , Estados Unidos |
Fallecido | 15 de marzo de 1962 Berkeley, California , Estados Unidos | (69 años)
alma mater | |
Conocido por | |
Esposos) | Betty Charity McCloskey ( m. 1916) |
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Carrera científica | |
Campos | Física |
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Asesor de doctorado | Hereward L. Cooke |
Estudiantes de doctorado | |
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En 1919, Compton recibió una de las dos primeras becas del Consejo Nacional de Investigación que permitió a los estudiantes estudiar en el extranjero. Él eligió ir a la Universidad de Cambridge 's Laboratorio Cavendish en Inglaterra, donde estudió la dispersión y la absorción de los rayos gamma . La investigación adicional en esta línea condujo al descubrimiento del efecto Compton. Usó rayos X para investigar el ferromagnetismo , concluyendo que era el resultado de la alineación de los espines de los electrones , y estudió los rayos cósmicos , descubriendo que estaban compuestos principalmente por 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 jefe del Laboratorio Metalúrgico, con la 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 de 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 funcionamiento del Reactor de Grafito X-10 en Oak Ridge, Tennessee. . El plutonio comenzó a producirse en los reactores de Hanford Site en 1945.
Después de la guerra, Compton se convirtió en rector de la Universidad de Washington en St. Louis. Durante su mandato, la universidad separó formalmente sus divisiones de pregrado, nombró a su primera profesora titular e inscribió a un número récord de estudiantes después de que los veteranos de guerra regresaron a los Estados Unidos.
Vida temprana
Arthur Compton nació el 10 de septiembre de 1892, en Wooster, Ohio , el hijo de Elias y Otelia Catherine ( de soltera Augspurger) Compton, [1] que fue nombrada Madre del año en América en 1939. [2] Ellos eran una familia académica . Elias fue decano de la Universidad de Wooster (más tarde el Colegio de Wooster), a la que Arthur también asistió. El hermano mayor de Arthur, Karl , que también asistió a Wooster, obtuvo un título de Doctor en Filosofía (PhD) 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 también asistió a Wooster, obtuvo su doctorado en economía de Princeton en 1916 y fue presidente del State College of Washington, más tarde Washington State University de 1944 a 1951. [3] Los tres hermanos eran miembros de la fraternidad Alpha Tau Omega . [4]
Compton se interesó inicialmente por la astronomía y tomó una fotografía del cometa Halley en 1910. [5] Alrededor de 1913, describió un experimento en el que un examen del movimiento del agua en un tubo circular demostró la rotación de la tierra. [6] Ese año, se graduó de Wooster con una licenciatura en ciencias y entró en Princeton, donde recibió su maestría en artes en 1914. [7] Compton luego estudió para 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 . [8]
Cuando Arthur Compton obtuvo su doctorado en 1916, él, Karl y Wilson se convirtieron en el primer grupo de tres hermanos en obtener un doctorado en Princeton. Más tarde, se convertirían en el primer trío de este tipo en dirigir simultáneamente universidades estadounidenses. [3] Su hermana Mary se casó con un misionero, C. Herbert Rice, quien se convirtió en el director del Forman Christian College en Lahore . [9] En junio de 1916, Compton se casó con Betty Charity McCloskey, una compañera de clase de Wooster y también graduada. [9] Tuvieron dos hijos, Arthur Alan Compton y John Joseph Compton . [10]
Compton pasó un año como instructor de física en la Universidad de Minnesota en 1916–17, [11] luego dos años como ingeniero de investigación en 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 aviones para el Cuerpo de Señales . [9]
En 1919, Compton recibió una de las dos primeras becas del Consejo Nacional de Investigación que permitió a los estudiantes estudiar en el extranjero. Él eligió ir a la Universidad de Cambridge 's Laboratorio Cavendish en Inglaterra. Trabajando con George Paget Thomson , el hijo de J. J. Thomson , Compton estudió la dispersión y absorción de los rayos gamma . Observó que los rayos dispersos se absorbían más fácilmente que la fuente original. [11] [12] Compton quedó muy impresionado por los científicos de Cavendish, especialmente Ernest Rutherford , Charles Galton Darwin y Arthur Eddington , y finalmente nombró a su segundo hijo en honor a J. J. Thomson. [12]
Durante un tiempo, Compton fue diácono en una iglesia bautista. "La ciencia no puede reñir", dijo, "con una religión que postula un Dios para quien los hombres son como sus hijos". [13]
Carrera profesional
Efecto Compton
Al regresar a los Estados Unidos, Compton fue nombrado Profesor de Física Wayman Crow y jefe del Departamento de Física de la Universidad de Washington en St. Louis en 1920. [7] En 1922, descubrió que los cuantos de rayos X dispersados por electrones libres habían longitudes de onda más largas y, de acuerdo con la relación de Planck , menos energía que los rayos X entrantes, habiéndose transferido el excedente de energía a los electrones. Este descubrimiento, conocido como " efecto Compton " o "dispersión Compton", demostró el concepto de partículas de radiación electromagnética . [14] [15]
En 1923, Compton publicó un artículo en Physical Review que explicaba el cambio de los rayos X atribuyendo a los fotones un impulso similar al de una partícula , algo que Einstein había invocado para su explicación del efecto fotoeléctrico, ganadora del Premio Nobel de 1905 . Postulados por primera vez por Max Planck en 1900, estos fueron conceptualizados como elementos de luz "cuantificados" al contener una cantidad específica de energía que depende únicamente de la frecuencia de la luz. [16] En su artículo, Compton derivó la relación matemática entre el cambio en la longitud de onda y el ángulo de dispersión de los rayos X asumiendo que cada fotón de rayos X disperso interactuaba con un solo electrón. Su artículo concluye informando sobre experimentos que verificaron su relación derivada:
dónde
- es la longitud de onda inicial,
- es la longitud de onda después de la dispersión,
- es la constante de Planck ,
- es la masa en reposo del electrón ,
- es la velocidad de la luz , y
- es el ángulo de dispersión. [15]
La cantidad h ⁄ m e c se conoce como longitud de onda de Compton del electrón; es igual a2,43 × 10 −12 m . El desplazamiento de la 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 ° ). [17] Encontró que algunos rayos X no experimentaron ningún cambio de longitud de onda a pesar de estar dispersos a través de ángulos grandes; en cada uno de estos casos, el fotón no pudo expulsar un electrón. Por 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 de todo el átomo, que puede ser hasta 10.000 veces más pequeño. [15]
"Cuando presenté mis resultados en una reunión de la Sociedad Estadounidense de Física en 1923", recordó más tarde Compton, "inició la controversia científica más reñida que jamás haya conocido". [18] 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 con 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 los fotones de rayos X individuales dispersos y los electrones de retroceso . En Alemania, Walther Bothe y Hans Geiger desarrollaron de forma independiente un método similar. [14]
Rayos X
En 1923, Compton se trasladó a la Universidad de Chicago como profesor de física, [7] un puesto que ocuparía durante los próximos 22 años. [14] En 1925, demostró que la dispersión de rayos X de 130.000 voltios de los primeros dieciséis elementos de la tabla periódica (hidrógeno a través del azufre) estaba polarizada , un resultado predicho por JJ Thomson. William Duane, de la Universidad de Harvard, encabezó un esfuerzo por demostrar que la interpretación de Compton del efecto Compton era incorrecta. Duane llevó a cabo una serie de experimentos para refutar a Compton, pero en cambio encontró evidencia de que Compton estaba en lo cierto. En 1924, Duane admitió que ese era el caso. [14]
Compton investigó el efecto de los rayos X sobre los núcleos de sodio y cloro en la sal . Usó rayos X para investigar el ferromagnetismo , concluyendo que era el resultado de la alineación de los espines de los electrones . [19] En 1926, se convirtió en consultor del Departamento de Lámparas de General Electric . En 1934, regresó a Inglaterra como profesor invitado de Eastman en la Universidad de Oxford . Mientras estaba allí, General Electric le pidió que informara sobre las actividades del laboratorio de investigación de General Electric Company plc en Wembley . Compton estaba intrigado por las posibilidades de la investigación allí sobre lámparas fluorescentes . Su informe impulsó un programa de investigación en Estados Unidos que lo desarrolló. [20] [21]
El primer libro de Compton, X-Rays and Electrons , se publicó en 1926. En él mostró cómo calcular las densidades de materiales difractantes a partir de sus patrones de difracción de rayos X. [19] Revisó su libro con la ayuda de Samuel K. Allison para producir X-Rays in Theory and Experiment (1935). Este trabajo siguió siendo una referencia estándar durante las siguientes tres décadas. [22]
Rayos cósmicos
A principios de la década de 1930, Compton se interesó por los rayos cósmicos . En ese momento, se conocía su existencia, pero su origen y naturaleza seguían siendo especulativos. Su presencia podría detectarse usando una "bomba" esférica que contiene aire comprimido o gas argón y midiendo su conductividad eléctrica. Los viajes a Europa, India, México, Perú y Australia le dieron a Compton la oportunidad de medir los rayos cósmicos en diferentes altitudes y latitudes. Junto con otros grupos que hicieron observaciones en todo el mundo, encontraron que los rayos cósmicos eran un 15% más intensos en los polos que en el ecuador. Compton atribuyó esto al efecto de los rayos cósmicos que se componen principalmente de partículas cargadas, en lugar de fotones, como sugirió Robert Millikan , y el efecto de latitud se debe al campo magnético de la Tierra . [23]
Proyecto Manhattan
En abril de 1941, Vannevar Bush , jefe del Comité de Investigación de Defensa Nacional en tiempo de guerra (NDRC), creó un comité especial encabezado por Compton para informar sobre el programa de uranio de la NDRC. El informe de Compton, que se presentó 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 . [24] En octubre escribió otro informe sobre la viabilidad de una bomba atómica. Para este informe, trabajó con Enrico Fermi en los cálculos de la masa crítica de uranio-235, estimando conservadoramente que se encuentra entre 20 kilogramos (44 libras) 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 el 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, declaró que una bomba era factible, aunque era más conservador sobre su poder destructivo que Mark Oliphant y sus colegas británicos. [25]
El borrador final del informe de noviembre de Compton no mencionó el uso de plutonio, pero después de discutir la última investigación con Ernest Lawrence , Compton se convenció de que una bomba de plutonio también era factible. En diciembre, Compton se puso a cargo del proyecto de plutonio. [26] Esperaba lograr una reacción en cadena controlada para enero de 1943 y tener una bomba para enero de 1945. Para abordar el problema, hizo que los grupos de investigación trabajaran en plutonio y diseño de reactores nucleares en la Universidad de Columbia , la Universidad de Princeton y la Universidad. de California, Berkeley , concentrados 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 . [27]
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 pasó a formar parte del Proyecto Manhattan . [28] Ese mes, Compton le dio a Robert Oppenheimer la responsabilidad del diseño de la bomba. [29] Correspondió a Compton decidir cuál de los diferentes tipos de diseños de reactores que los científicos del Laboratorio Metalúrgico habían ideado debía seguirse, a pesar de que aún no se había construido un reactor exitoso. [30]
Cuando las disputas laborales retrasaron la construcción de la nueva casa del Laboratorio Metalúrgico en Red Gate Woods , Compton decidió construir Chicago Pile-1 , el primer reactor nuclear, debajo de las gradas en Stagg Field . [31] Bajo la dirección de Fermi, se volvió crítico el 2 de diciembre de 1942. [32] Compton arregló que Mallinckrodt llevara a cabo la purificación del mineral de uranio, [33] y con DuPont para construir las semi-plantas de plutonio en Oak Ridge, Tennessee . [34]
Una gran crisis para el programa de plutonio ocurrió en julio de 1943, cuando el grupo de Emilio Segrè confirmó que el plutonio creado en el reactor de grafito X-10 en Oak Ridge contenía altos niveles de plutonio-240 . Su fisión espontánea descartó el uso de plutonio en un arma nuclear tipo pistola . El Laboratorio de Los Alamos de Oppenheimer enfrentó el desafío diseñando y construyendo un arma nuclear de tipo implosión . [25]
Compton estuvo en el sitio de Hanford en septiembre de 1944 para ver cómo se ponía en funcionamiento el primer reactor. El primer lote de babosas de uranio se introdujo en el Reactor B en Hanford en noviembre de 1944, y los envíos de plutonio a Los Alamos comenzaron en febrero de 1945. [35] Durante la guerra, Compton seguiría siendo un destacado asesor y administrador científico. En 1945, sirvió, junto con Lawrence, Oppenheimer y Fermi, en el Panel Científico que recomendó el uso militar de la bomba atómica contra Japón. [36] Fue galardonado con la Medalla al Mérito por sus servicios al Proyecto Manhattan. [37]
Regreso a la Universidad de Washington
Después de que terminó la guerra, Compton renunció a su cátedra como Profesor de Física del Servicio Distinguido Charles H. Swift en la Universidad de Chicago y regresó a la Universidad de Washington en St. Louis, donde fue inaugurado como noveno rector de la universidad en 1946. [37] Durante En el tiempo de Compton como canciller, la universidad eliminó la segregación formal de sus divisiones de pregrado en 1952, nombró a su primera profesora titular e inscribió un número récord de estudiantes cuando los veteranos de guerra regresaron a los Estados Unidos. Su reputación y conexiones en los círculos científicos nacionales le permitieron reclutar a muchos investigadores científicos de renombre nacional para la universidad. A pesar de los logros de Compton, fue criticado entonces, y posteriormente por los historiadores, por avanzar demasiado lentamente hacia la integración racial total , convirtiendo a la Universidad de Washington en la última institución importante de educación superior en St. Louis que abrió sus puertas a los afroamericanos . [38]
Compton se retiró como canciller en 1954, pero permaneció en la facultad como profesor de servicio distinguido de filosofía natural hasta su retiro de la facultad de tiempo completo en 1961. En su jubilación, escribió Atomic Quest , un relato personal de su papel en el Proyecto Manhattan, que fue publicado en 1956. [37]
Filosofía
Compton fue uno de los pocos científicos y filósofos que propuso un modelo de libre albedrío en dos etapas . Otros incluyen William James , Henri Poincaré , Karl Popper , Henry Margenau y Daniel Dennett . [39] En 1931, Compton defendió la idea de la libertad humana basada en la indeterminación cuántica e inventó la noción de amplificación de eventos cuánticos microscópicos para traer el azar al mundo macroscópico. En su mecanismo algo extraño, imaginó cartuchos de dinamita unidos a su amplificador, anticipándose a la paradoja del gato de Schrödinger , que se publicó en 1935. [40]
En reacción a las críticas de que sus ideas hicieron del azar la causa directa de las acciones de la gente, Compton aclaró la naturaleza de dos etapas de su idea en un artículo de Atlantic Monthly en 1955. Primero hay una gama de posibles eventos aleatorios, luego se agrega un factor determinante en el acto de elección. [41]
Un conjunto de condiciones físicas conocidas no es adecuado para especificar con precisión cuál será el próximo evento. Estas condiciones, en la medida en que pueden ser conocidas, definen en cambio un rango de posibles eventos entre los cuales ocurrirá algún evento en particular. Cuando uno ejerce la libertad, por su acto de elección, él mismo está agregando un factor no proporcionado por las condiciones físicas y, por lo tanto, está determinando lo que ocurrirá. Que lo hace, solo lo sabe la persona misma. Desde el exterior, uno puede ver en su acto solo el funcionamiento de la ley física. Es el conocimiento interno de que de hecho está haciendo lo que se propone hacer lo que le dice al propio actor que es libre. [41]
Puntos de vista religiosos
Compton era presbiteriano . [42] Su padre Elías fue un ministro presbiteriano ordenado. [42]
Compton dio una conferencia sobre "El lugar del hombre en el mundo de Dios" en la Universidad de Yale , el Seminario Teológico Occidental y la Universidad de Michigan . [42] Las conferencias formaron la base de su libro La libertad del hombre . Su capítulo "¿Muerte o vida eterna?" defendió la inmortalidad cristiana y citó versículos de la Biblia. [42] [43] De 1948 a 1962, Compton fue un anciano de la Segunda Iglesia Presbiteriana en St. Louis. [42] En sus últimos años, fue coautor del libro El destino del hombre en la eternidad . Compton estableció a Jesús como el centro de su fe en el plan eterno de Dios. [42] Una vez comentó que podía ver el espíritu de Jesús obrando en el mundo como un aspecto de Dios vivo en hombres y mujeres. [42]
Muerte y legado
Compton murió en Berkeley, California , de una hemorragia cerebral el 15 de marzo de 1962. Le sobrevivieron su esposa (que murió en 1980) e hijos. Compton está enterrado en el cementerio Wooster en Wooster, Ohio. [10] Antes de su muerte, fue profesor en la Universidad de California, Berkeley durante la primavera de 1962. [44]
Compton recibió muchos premios en su vida, incluyendo el Premio Nobel de Física en 1927, la Medalla de Oro Matteucci en 1930, la Royal Society 's medalla Hughes y el Instituto Franklin ' s Medalla Franklin en 1940. [45] se le conmemora en diversos formas. El cráter Compton en la Luna lleva el nombre conjunto de Compton y su hermano Karl. [46] El edificio de investigación de física de la Universidad de Washington en St Louis se nombra en su honor, [47] ya que es la principal beca de la universidad para estudiantes de pregrado que estudian matemáticas, física o ciencias planetarias. [48] Compton inventó una versión más suave, alargada y en rampa del tope de velocidad llamado "Holly joroba", muchos de los cuales se encuentran en las carreteras del campus de la Universidad de Washington. [49] La Universidad de Chicago recordó a Compton y sus logros al dedicar la Casa Arthur H. Compton en su honor. [50] Ahora está catalogado como Monumento Histórico Nacional . [51] Compton también tiene una estrella en el Paseo de la Fama de St. Louis . [52] La NASA 's observatorio de rayos gamma Compton fue nombrado en honor de Compton. El efecto Compton es fundamental para los instrumentos de detección de rayos gamma a bordo del observatorio. [53]
Bibliografía
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Notas
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Referencias
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enlaces externos
- Medios relacionados con Arthur Compton en Wikimedia Commons
- "Extraño instrumento construido para resolver el misterio de los rayos cósmicos", abril de 1932, artículo de Popular Science sobre Compton sobre la investigación de los rayos cósmicos.
- Entrada biográfica de Arthur Compton en la Universidad de Washington en Saint Louis
- Bibliografía comentada de Arthur Compton de la Biblioteca digital de Alsos para cuestiones nucleares
- Arthur Holly Compton sobre el filósofo de la información
- Arthur Compton en Nobelprize.org
- Memoria biográfica de la Academia Nacional de Ciencias
- Arthur Compton en Find a Grave
- Guía de los documentos de Arthur Holly Compton 1918-1964 en el Centro de Investigación de Colecciones Especiales de la Universidad de Chicago