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 corpuscular de la radiación electromagnética . Fue un descubrimiento sensacional en su momento: la naturaleza ondulatoria de la luz había sido bien demostrada, pero la idea de que la luz tenía propiedades tanto ondulatorias como corpusculares 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 de la Universidad de Washington en St. Louis de 1945 a 1953.
En 1919, Compton recibió una de las dos primeras becas del Consejo Nacional de Investigación que permitían a los estudiantes estudiar en el extranjero. Eligió ir al Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge en Inglaterra, donde estudió la dispersión y absorción de los rayos gamma . Investigaciones posteriores en esta línea condujeron al descubrimiento del efecto Compton. Utilizó 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 de partículas con carga positiva.
Durante la Segunda Guerra Mundial , Compton fue una figura clave en el Proyecto Manhattan que desarrolló las primeras armas nucleares . Sus informes fueron importantes para el lanzamiento del proyecto. En 1942, se convirtió en miembro del comité ejecutivo y luego en jefe de los proyectos "X" que supervisaban el 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 Chicago Pile-1 por parte de Enrico Fermi , el primer reactor nuclear, que entró en estado crítico el 2 de diciembre de 1942. El Laboratorio Metalúrgico también fue responsable del diseño y operación del Reactor de Grafito X-10 en Oak Ridge, Tennessee . El plutonio comenzó a producirse en los reactores del Sitio Hanford en 1945.
Después de la guerra, Compton se convirtió en rector de la Universidad de Washington en St. Louis. Durante su mandato, la universidad desegregó formalmente sus divisiones de pregrado, nombró a su primera profesora titular y matriculó a un número récord de estudiantes después de que los veteranos de guerra regresaran a los Estados Unidos.
Arthur Compton nació el 10 de septiembre de 1892 en Wooster, Ohio , hijo de Elias y Otelia Catherine ( née Augspurger) Compton, [1] quien fue nombrada Madre Estadounidense del Año en 1939 y era de ascendencia menonita alemana. [2] [3] 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 doctorado en física por la Universidad de Princeton en 1912 y fue presidente del Instituto Tecnológico de Massachusetts de 1930 a 1948. Su segundo hermano, Wilson, también asistió a Wooster, obtuvo su doctorado en economía por Princeton en 1916 y fue presidente del State College of Washington, más tarde Washington State University, de 1944 a 1951. [4] Los tres hermanos eran miembros de la fraternidad Alpha Tau Omega . [5]
Compton se interesó inicialmente en la astronomía y tomó una fotografía del cometa Halley en 1910. [6] 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, un dispositivo ahora conocido como el generador Compton . [7] Ese año, se graduó de Wooster con una licenciatura en Ciencias y entró en Princeton, donde recibió su título de Máster en Artes en 1914. [8] 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 . [9]
Cuando Arthur Compton obtuvo su doctorado en 1916, él, Karl y Wilson se convirtieron en el primer grupo de tres hermanos en obtener doctorados en Princeton. Más tarde, se convertirían en el primer trío de este tipo en dirigir simultáneamente universidades estadounidenses. [4] Su hermana Mary se casó con un misionero, C. Herbert Rice, quien se convirtió en el director del Forman Christian College en Lahore . [10] En junio de 1916, Compton se casó con Betty Charity McCloskey, una compañera de clase de Wooster y compañera de graduación. [10] Tuvieron dos hijos, Arthur Alan Compton y John Joseph Compton . [11]
Compton pasó un año como profesor de física en la Universidad de Minnesota entre 1916 y 1917, [12] y luego dos años como ingeniero de investigación en la Westinghouse Lamp Company en Pittsburgh , donde trabajó en el desarrollo de la lámpara de vapor de sodio . Durante la Primera Guerra Mundial desarrolló la instrumentación aeronáutica para el Cuerpo de Señales . [10]
En 1919, Compton recibió una de las dos primeras becas del Consejo Nacional de Investigación que permitían a los estudiantes estudiar en el extranjero. Eligió ir al Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge 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. [12] [13] 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. [13]
De 1926 a 1927 enseñó en el departamento de química de la Universidad del Punjab , donde fue becario Guggenheim . [14] [15]
Durante un tiempo, Compton fue diácono en una iglesia bautista. “La ciencia no puede tener nada que objetar”, decía, “a una religión que postula un Dios para el cual los hombres son sus hijos”. [16]
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. [8] En 1922, descubrió que los cuantos de rayos X dispersados por electrones libres tenían longitudes de onda más largas y, de acuerdo con la relación de Planck , menos energía que los rayos X entrantes, habiéndose transferido la energía sobrante a los electrones. Este descubrimiento, conocido como el " efecto Compton " o "dispersión Compton", demostró el concepto de partícula de la radiación electromagnética . [17] [18]
En 1923, Compton publicó un artículo en la revista Physical Review que explicaba el desplazamiento de los rayos X atribuyendo a los fotones un momento similar al de las partículas , algo que Einstein había invocado para su explicación del efecto fotoeléctrico , que le valió el Premio Nobel en 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. [19] En su artículo, Compton dedujo la relación matemática entre el desplazamiento de la longitud de onda y el ángulo de dispersión de los rayos X asumiendo que cada fotón de rayos X dispersado interactuaba con un solo electrón. Su artículo concluye informando sobre experimentos que verificaron su relación derivada:
dónde
La cantidad h ⁄ m e c se conoce como longitud de onda Compton del electrón; es igual a2,43 × 10 −12 m . El cambio de longitud de onda λ′ − λ se encuentra entre cero (para θ = 0° ) y el doble de la longitud de onda Compton del electrón (para θ = 180° ). [20] Encontró que algunos rayos X no experimentaban ningún cambio de longitud de onda a pesar de dispersarse a través de grandes ángulos; en cada uno de estos casos el fotón no logró expulsar un electrón. Por lo tanto, la magnitud del cambio no está relacionada con la longitud de onda Compton del electrón, sino con la longitud de onda Compton de todo el átomo, que puede ser hasta 10.000 veces más pequeña. [18]
"Cuando presenté mis resultados en una reunión de la Sociedad Estadounidense de Física en 1923", recordó Compton más tarde, "se inició la controversia científica más acalorada que he conocido jamás". [21] La naturaleza ondulatoria de la luz había sido bien demostrada, y la idea de que pudiera tener una naturaleza dual no fue aceptada fácilmente. Fue particularmente revelador que la difracción en una red cristalina sólo pudiera explicarse con referencia a su naturaleza ondulatoria. Esto 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 fotones de rayos X individuales dispersos y los electrones de retroceso . En Alemania, Walther Bothe y Hans Geiger desarrollaron independientemente un método similar. [17]
En 1923, Compton se trasladó a la Universidad de Chicago como profesor de física, [8] un puesto que ocuparía durante los siguientes 22 años. [17] En 1925, demostró que la dispersión de rayos X de 130.000 voltios de los primeros dieciséis elementos de la tabla periódica (del hidrógeno al azufre) estaba polarizada , un resultado predicho por JJ Thomson. William Duane, de la Universidad de Harvard, encabezó un esfuerzo para demostrar que la interpretación de Compton del efecto Compton era errónea. Duane llevó a cabo una serie de experimentos para refutar a Compton, pero en su lugar encontró evidencia de que Compton estaba en lo cierto. En 1924, Duane admitió que este era el caso. [17]
Compton investigó el efecto de los rayos X en los núcleos de sodio y cloro en la sal . Utilizó rayos X para investigar el ferromagnetismo , concluyendo que era el resultado de la alineación de los espines de los electrones . [22] En 1926, se convirtió en consultor del Departamento de Lámparas de General Electric . En 1934, regresó a Inglaterra como profesor visitante de Eastman en la Universidad de Oxford . Mientras estaba allí, General Electric le pidió que informara sobre las actividades en el 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. [23] [24]
El primer libro de Compton, Rayos X y electrones , se publicó en 1926. En él, mostró cómo calcular las densidades de los materiales difractantes a partir de sus patrones de difracción de rayos X. [22] Revisó su libro con la ayuda de Samuel K. Allison para producir Rayos X en teoría y experimento (1935). Esta obra siguió siendo una referencia estándar durante las siguientes tres décadas. [25]
A principios de la década de 1930, Compton se interesó en los rayos cósmicos . En ese momento, se conocía su existencia, pero su origen y naturaleza seguían siendo especulativos. Su presencia podía detectarse utilizando una "bomba" esférica que contenía 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 a diferentes altitudes y latitudes. Junto con otros grupos que hicieron observaciones alrededor del mundo, descubrieron que los rayos cósmicos eran un 15% más intensos en los polos que en el ecuador. Compton atribuyó esto al efecto de que los rayos cósmicos están compuestos principalmente de partículas cargadas, en lugar de fotones como Robert Millikan había sugerido, y el efecto de la latitud se debe al campo magnético de la Tierra . [26]
En abril de 1941, Vannevar Bush , jefe del Comité de Investigación de Defensa Nacional (NDRC) en tiempos de guerra, creó un comité especial encabezado por Compton para informar sobre el programa de uranio del NDRC. El informe de Compton, que se presentó en mayo de 1941, previó las perspectivas de desarrollo de armas radiológicas , propulsión nuclear para barcos y armas nucleares utilizando uranio-235 o el recientemente descubierto plutonio . [27] 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 del uranio-235, estimándola conservadoramente 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 se podría producir plutonio en un reactor nuclear y con Robert Serber sobre cómo se podría separar del uranio el plutonio producido en un reactor. Su informe, presentado en noviembre, afirmó que era factible una bomba, aunque fue más conservador sobre su poder destructivo que Mark Oliphant y sus colegas británicos. [28]
El borrador final del informe de noviembre de Compton no mencionaba el uso de plutonio, pero después de discutir las últimas investigaciones con Ernest Lawrence , Compton se convenció de que una bomba de plutonio también era factible. En diciembre, Compton fue puesto a cargo del proyecto de plutonio. [29] Esperaba lograr una reacción en cadena controlada para enero de 1943 y tener una bomba para enero de 1945. Para abordar el problema, reunió a los grupos de investigación que trabajaban en plutonio y diseño de reactores nucleares en la Universidad de Columbia , la Universidad de Princeton y la Universidad de California en Berkeley en el Laboratorio Metalúrgico de 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 . [30]
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. [31] Ese mes, Compton le dio a Robert Oppenheimer la responsabilidad del diseño de la bomba. [32] Le correspondió a Compton decidir cuál de los diferentes tipos de diseños de reactores que los científicos del Laboratorio Metalúrgico habían ideado debía llevarse a cabo, a pesar de que aún no se había construido un reactor exitoso. [33]
Cuando las disputas laborales retrasaron la construcción del nuevo hogar del Laboratorio Metalúrgico en la reserva forestal de Argonne , Compton decidió construir Chicago Pile-1 , el primer reactor nuclear, bajo las gradas de Stagg Field . [34] Bajo la dirección de Fermi, alcanzó su estado crítico el 2 de diciembre de 1942. [35] Compton hizo arreglos para que Mallinckrodt se encargara de la purificación del mineral de uranio, [36] y con DuPont para construir las semifábricas de plutonio en Oak Ridge, Tennessee . [37]
En julio de 1943 se produjo una importante crisis para el programa de plutonio, cuando el grupo de Emilio Segrè confirmó que el plutonio creado en el reactor de grafito X-10 de Oak Ridge contenía altos niveles de plutonio-240 . Su fisión espontánea descartó el uso de plutonio en un arma nuclear de tipo cañón . El laboratorio de Los Álamos de Oppenheimer afrontó el desafío diseñando y construyendo un arma nuclear de tipo implosión . [28]
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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 uranio en bruto se introdujo en el reactor B de Hanford en noviembre de 1944, y los envíos de plutonio a Los Álamos comenzaron en febrero de 1945. [38] A lo largo de la guerra, Compton seguiría siendo un destacado asesor científico y administrador. En 1945, formó parte, junto con Lawrence, Oppenheimer y Fermi, del Panel Científico que recomendó el uso militar de la bomba atómica contra Japón. [39] Se le concedió la Medalla al Mérito por sus servicios al Proyecto Manhattan. [40]
Después de que terminó la guerra, Compton renunció a su cátedra como Profesor de Servicio Distinguido Charles H. Swift de Física en la Universidad de Chicago y regresó a la Universidad de Washington en St. Louis, donde fue investido como el noveno rector de la universidad en 1946. [40] Durante el tiempo de Compton como rector, la universidad desegregó formalmente sus divisiones de pregrado en 1952, nombró a su primera profesora titular y matriculó un número récord de estudiantes cuando los veteranos de guerra regresaron a los Estados Unidos. Su reputación y sus 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 completa , lo que convirtió a la Universidad de Washington en la última institución importante de educación superior en St. Louis en abrir sus puertas a los afroamericanos . [41]
Compton se retiró como rector en 1954, pero permaneció en la facultad como Profesor Distinguido de Servicio de Filosofía Natural hasta su retiro de la facultad de tiempo completo en 1961. En su retiro escribió Atomic Quest , un relato personal de su papel en el Proyecto Manhattan, que se publicó en 1956. [40]
Compton fue uno de los pocos científicos y filósofos que propusieron un modelo de dos etapas del libre albedrío . Otros fueron William James , Henri Poincaré , Karl Popper , Henry Margenau y Daniel Dennett . [42] 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. [43]
En respuesta a las críticas de que sus ideas convertían al azar en la causa directa de las acciones de las personas, 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. [44]
Un conjunto de condiciones físicas conocidas no es suficiente para especificar con precisión lo que será un acontecimiento futuro. Estas condiciones, en la medida en que se las pueda conocer, definen en cambio una serie de acontecimientos posibles entre los cuales se producirá algún acontecimiento particular. Cuando uno ejerce la libertad, mediante su acto de elección está añadiendo un factor que no proporcionan las condiciones físicas y, por tanto, está determinando lo que ocurrirá. Que lo haga así es algo que sólo sabe la propia persona. Desde fuera, en su acto sólo se puede ver el funcionamiento de la ley física. Es el conocimiento interior de que, de hecho, está haciendo lo que se propone hacer lo que le dice al propio actor que es libre. [44]
Compton era presbiteriano . [45] Su padre Elias era un ministro presbiteriano ordenado. [45]
Compton dio conferencias sobre "El lugar del hombre en el mundo de Dios" en la Universidad de Yale , el Seminario Teológico Occidental y la Universidad de Michigan en 1934-35. [45] Las conferencias formaron la base de su libro La libertad del hombre . Su capítulo "¿Muerte o vida eterna?" defendía la inmortalidad cristiana y citaba versículos de la Biblia. [45] [46] De 1948 a 1962, Compton fue un anciano de la Segunda Iglesia Presbiteriana en St. Louis. [45] En sus últimos años, fue coautor del libro El destino del hombre en la eternidad . Compton puso a Jesús como el centro de su fe en el plan eterno de Dios. [45] Una vez comentó que podía ver el espíritu de Jesús trabajando en el mundo como un aspecto de Dios vivo en hombres y mujeres. [45]
Compton murió en Berkeley, California , a causa de una hemorragia cerebral el 15 de marzo de 1962. Le sobrevivieron su esposa (que murió en 1980) y sus hijos. Compton está enterrado en el cementerio Wooster en Wooster, Ohio. [11] Antes de su muerte, fue profesor general en la Universidad de California, Berkeley durante la primavera de 1962. [47]
Compton recibió muchos premios en su vida, incluyendo el Premio Nobel de Física en 1927, la Medalla de Oro Matteucci en 1930, la Medalla Hughes de la Royal Society y la Medalla Franklin del Instituto Franklin en 1940. [48] Fue elegido miembro de la Sociedad Filosófica Americana en 1925, [49] la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos en 1927, [50] y la Academia Americana de las Artes y las Ciencias en 1928. [51] Se le conmemora de diversas maneras. El cráter Compton en la Luna lleva el nombre de Compton y su hermano Karl. [52] El edificio de investigación de física en la Universidad de Washington en St Louis lleva su nombre en su honor, [53] al igual que la principal beca de la universidad para estudiantes universitarios que estudian matemáticas, física o ciencias planetarias. [54] Compton inventó una versión más suave, alargada y en rampa del reductor de velocidad llamado "Holly hump", muchos de los cuales se encuentran en las carreteras del campus de la Universidad de Washington. [55] La Universidad de Chicago recordó a Compton y sus logros dedicando la Casa Arthur H. Compton en su honor. [56] Ahora está catalogada como Monumento Histórico Nacional . [57] Compton también tiene una estrella en el Paseo de la Fama de San Luis . [58] El Observatorio de Rayos Gamma Compton de la NASA fue nombrado en honor a Compton. El efecto Compton es fundamental para los instrumentos de detección de rayos gamma a bordo del observatorio. [59]
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