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 partícula 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 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 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 permitieron 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 rayos gamma . Investigaciones posteriores en este sentido llevaron al descubrimiento del efecto Compton. Usó rayos X para investigar el ferromagnetismo , concluyendo que era resultado del alineamiento de los espines de los electrones , y estudió los rayos cósmicos , descubriendo que estaban formados 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 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 el uranio en plutonio , encontrar formas de separar el plutonio del uranio y diseñar una bomba atómica. Compton supervisó la creación de Enrico Fermi del Chicago Pile-1 , 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 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 eliminó formalmente la segregación en 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.
Arthur Compton nació el 10 de septiembre de 1892 en Wooster, Ohio , hijo de Elias y Otelia Catherine ( de soltera 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 College of Wooster), a la que también asistió Arthur. El hermano mayor de Arthur, Karl , que también asistió a Wooster, obtuvo un Doctorado 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 en Princeton en 1916 y fue presidente del State College of Washington, más tarde Universidad Estatal de Washington , de 1944 a 1951. [4] Los tres hermanos eran miembros de la fraternidad Alpha Tau Omega . [5]
Compton se interesó inicialmente por 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 demostraba 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 Maestría en Artes en 1914. [8] Compton luego estudió para su doctorado en física bajo la supervisión de Hereward L. Cooke. , escribiendo su tesis sobre La intensidad de la reflexión de los 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 un doctorado en Princeton. Más tarde, se convertirían en el primer trío de su 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 y graduada de Wooster. [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 en 1916-17, [12] 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 aeronáutica para el Signal Corps . [10]
En 1919, Compton recibió una de las dos primeras becas del Consejo Nacional de Investigación que permitieron a los estudiantes estudiar en el extranjero. Eligió ir al Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge en Inglaterra. Trabajando con George Paget Thomson , hijo de J. J. Thomson , Compton estudió la dispersión y absorción de 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 oponerse", dijo, "a una religión que postula un Dios para quien los hombres son sus hijos". [dieciséis]
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 dispersos por electrones libres tenían longitudes de onda más largas y, según la relación de Planck , menos energía que los rayos X entrantes, habiendo sido transferida la energía excedente a los electrones. Este descubrimiento, conocido como " efecto Compton " o "dispersión Compton", demostró el concepto de partícula de la radiación electromagnética . [17] [18]
En 1923, Compton publicó un artículo en Physical Review que explicaba el desplazamiento 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 en 1905 . Postulados por primera vez por Max Planck en 1900, estos fueron conceptualizados como elementos de luz "cuantizados" al contener una cantidad específica de energía que dependía únicamente de la frecuencia de la luz. [19] 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
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] Descubrió que algunos rayos X no experimentaban ningún cambio de longitud de onda a pesar de estar dispersos en ángulos grandes; en cada uno de estos casos el fotón no logró expulsar un electrón. Por 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 más de 10.000 veces más pequeña. [18]
"Cuando presenté mis resultados en una reunión de la Sociedad Estadounidense de Física en 1923", recordó más tarde Compton, "se inició la controversia científica más acalorada que jamás haya conocido". [21] 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 sólo pudiera explicarse en 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 al mismo tiempo fotones de rayos X individuales dispersos y electrones en retroceso . En Alemania, Walther Bothe y Hans Geiger desarrollaron de forma independiente un método similar. [17]
En 1923, Compton se trasladó a la Universidad de Chicago como profesor de física, [8] 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) estaban polarizados , 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 cambio encontró evidencia de que Compton tenía razón. En 1924, Duane admitió que así era. [17]
Compton investigó el efecto de los rayos X sobre los núcleos de sodio y cloro de la sal . Usó rayos X para investigar el ferromagnetismo y concluyó que era el resultado del alineamiento 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 Eastman en la Universidad de Oxford . Mientras estuvo 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 sobre lámparas fluorescentes . Su informe impulsó un programa de investigación en Estados Unidos que lo desarrolló. [23] [24]
El primer libro de Compton, X-Rays and Electrons , se publicó en 1926. En él mostró cómo calcular las densidades de materiales difractores a partir de sus patrones de difracción de rayos X. [22] 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. [25]
A principios de la década de 1930, Compton se había interesado por los rayos cósmicos . En ese momento se conocía su existencia, pero su origen y naturaleza seguían siendo especulativos. Su presencia podría detectarse mediante 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 a diferentes altitudes y latitudes. Junto con otros grupos que realizaron 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 estuvieran formados principalmente por partículas cargadas, en lugar de fotones como había sugerido Robert Millikan , y el efecto de latitud se debía 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, presentado en mayo de 1941, preveía 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 cálculos de la masa crítica del uranio-235, estimándola de manera conservadora 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 el plutonio producido en un reactor podría separarse del uranio. Su informe, presentado en noviembre, afirmaba que una bomba era factible, aunque era más conservador en cuanto a 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 en enero de 1943 y tener una bomba en enero de 1945. Para abordar el problema, hizo que 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, 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 . [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 de la nueva sede del Laboratorio Metalúrgico en la reserva forestal de Argonne , Compton decidió construir Chicago Pile-1 , el primer reactor nuclear, debajo de las gradas de Stagg Field . [34] Bajo la dirección de Fermi, se volvió crítico el 2 de diciembre de 1942. [35] Compton hizo arreglos para que Mallinckrodt emprendiera 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 crisis importante para el programa de plutonio, 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 Oppenheimer en Los Álamos 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 observar la puesta en funcionamiento del primer reactor. El primer lote de balas de uranio 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] Durante toda la guerra, Compton seguiría siendo un destacado asesor y administrador científico. 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] Fue galardonado con 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 Física con Servicio Distinguido Charles H. Swift en la Universidad de Chicago y regresó a la Universidad de Washington en St. Louis, donde fue investido como noveno rector de la universidad en 1946. [40] Durante Durante la época de Compton como rectora, la universidad eliminó formalmente la segregación de sus divisiones de pregrado en 1952, nombró a su primera profesora titular e inscribió a 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 para la universidad a muchos investigadores científicos de renombre nacional. 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 gran institución de educación superior en St. Louis en abrir sus puertas a los afroamericanos . [41]
Compton se retiró como canciller en 1954, pero permaneció en la facultad como Profesor de Filosofía Natural con Servicio Distinguido hasta su retiro de la facultad de tiempo completo en 1961. Cuando se jubiló, escribió Atomic Quest , un relato personal de su papel en el Proyecto Manhattan, que fue publicado en 1956. [40]
Compton fue uno de los pocos científicos y filósofos que propuso un modelo de libre albedrío en dos etapas . Otros incluyen a 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 un tanto extraño, imaginó cartuchos de dinamita unidos a su amplificador, anticipando la paradoja del gato de Schrödinger , publicada en 1935. [43]
En reacción a las críticas de que sus ideas hacían del azar la causa directa de las acciones de las personas, Compton aclaró la naturaleza de dos etapas de su idea en un artículo del Atlantic Monthly de 1955. Primero hay una variedad de eventos aleatorios posibles, luego se agrega un factor determinante en el acto de elección. [44]
Un conjunto de condiciones físicas conocidas no es adecuado para especificar con precisión cuál será un evento próximo. Estas condiciones, en la medida en que pueden ser conocidas, definen más bien una gama de eventos posibles entre los cuales ocurrirá algún evento particular. Cuando uno ejerce la libertad, mediante su acto de elección él mismo está agregando un factor no proporcionado por las condiciones físicas y, por lo tanto, él mismo determina lo que sucederá. Sólo la persona misma sabe que lo hace. Desde fuera uno puede ver en su acto sólo el funcionamiento de la ley física. Es el conocimiento interno de que en realidad está haciendo lo que se propone hacer lo que le dice al actor que es libre. [44]
Compton era presbiteriano . [45] Su padre Elías era un ministro presbiteriano ordenado. [45]
Compton dio una conferencia sobre el "lugar del hombre en el mundo de Dios" en la Universidad de Yale , el Western Theological Seminary y la Universidad de Michigan en 1934-1935. [45] Las conferencias formaron la base de su libro La libertad del hombre . Su capítulo "¿Muerte o Vida Eterna?" Abogó por la inmortalidad cristiana y citó versículos de la Biblia. [45] [46] De 1948 a 1962, Compton fue 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 obrando en el mundo como un aspecto de Dios vivo en hombres y mujeres. [45]
Compton murió en Berkeley, California , 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 titular en la Universidad de California, Berkeley, durante la primavera de 1962. [47]
Compton recibió muchos premios a lo largo de su vida, incluido 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 del Sociedad Filosófica Estadounidense en 1925, [49] la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos en 1927, [50] y la Academia Estadounidense de Artes y Ciencias en 1928. [51] Se le conmemora de diversas formas. El cráter Compton en la Luna lleva el mismo nombre de Compton y su hermano Karl. [52] El edificio de investigación de física de la Universidad de Washington en St. Louis lleva su nombre, [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 con rampa del badén llamada "Holly joroba", muchas de las 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 catalogado como Monumento Histórico Nacional . [57] Compton también tiene una estrella en el Paseo de la Fama de St. Louis . [58] El Observatorio Compton de Rayos Gamma de la NASA recibió su nombre 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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