Артур Холли Комптон (10 сентября 1892 — 15 марта 1962) — американский физик, получивший Нобелевскую премию по физике в 1927 году за открытие в 1923 году эффекта Комптона , продемонстрировавшего корпускулярную природу электромагнитного излучения . В то время это было сенсационное открытие: волновая природа света была хорошо продемонстрирована, но идея о том, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами, не была легко принята. Он также известен своим руководством Металлургической лабораторией Чикагского университета во время Манхэттенского проекта и занимал пост ректора Вашингтонского университета в Сент-Луисе с 1945 по 1953 год.
В 1919 году Комптон был награжден одной из первых двух стипендий Национального исследовательского совета , которые позволили студентам учиться за границей. Он решил поступить в Кавендишскую лабораторию 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 он является результатом выравнивания спинов электронов , и изучал космические лучи , обнаружив, что они состоят в основном из положительно 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 главой металлургической лаборатории, отвечая за производство ядерных реакторов для преобразования урана в плутоний , поиск способов отделения плутония от урана и разработку атомной бомбы. Комптон руководил созданием Энрико Ферми Чикагского реактора Pile-1 , первого ядерного реактора, который стал критическим 2 декабря 1942 года. Металлургическая лаборатория также отвечала за проектирование и эксплуатацию графитового реактора X-10 в Ок-Ридже, штат Теннесси. . Плутоний начал производиться в реакторах Хэнфордской площадки в 1945 году.
После войны Комптон стал ректором Вашингтонского университета в Сент-Луисе. За время его пребывания в должности университет официально десегрегировал свои отделения бакалавриата, назначил свою первую женщину-профессора и принял рекордное количество студентов после того, как ветераны войны вернулись в Соединенные Штаты.
Артур Комптон родился 10 сентября 1892 года в Вустере, штат Огайо , в семье Элиаса и Отелии Кэтрин ( урожденной Аугспургер) Комптон, [1] которая была названа американской матерью года в 1939 году и имела немецкое меннонитское происхождение. [2] [3] Это была академическая семья. Элиас был деканом Вустерского университета (позже Вустерского колледжа), который также посещал Артур. Старший брат Артура, Карл , который также учился в Вустере, получил степень доктора философии (PhD) по физике в Принстонском университете в 1912 году и был президентом Массачусетского технологического института с 1930 по 1948 год. Его второй брат Уилсон также учился в Вустере, получил докторскую степень по экономике в Принстоне в 1916 году и был президентом Государственного колледжа Вашингтона, позже Университета штата Вашингтон, с 1944 по 1951 год . [4] Все три брата были членами братства Альфа Тау Омега . [5]
Комптон первоначально интересовался астрономией и сфотографировал комету Галлея в 1910 году . [6] Примерно в 1913 году он описал эксперимент, в котором исследование движения воды в круглой трубке продемонстрировало вращение Земли - устройство, теперь известное как как генератор Комптона . [7] В том же году он окончил Вустер со степенью бакалавра наук и поступил в Принстон, где получил степень магистра гуманитарных наук в 1914 году. [8] Затем Комптон учился на доктора философии по физике под руководством Хереварда Л. Кука. , написав диссертацию на тему « Интенсивность отражения рентгеновских лучей и распределение электронов в атомах» . [9]
Когда Артур Комптон получил докторскую степень в 1916 году, он, Карл и Уилсон стали первой группой из трех братьев, получивших докторскую степень в Принстоне. Позже они станут первой такой троицей, которая одновременно возглавит американские колледжи. [4] Их сестра Мэри вышла замуж за миссионера К. Герберта Райса, который стал директором Христианского колледжа Форман в Лахоре . [10] В июне 1916 года Комптон женился на Бетти Чарити Макклоски, однокласснице Вустера и однокурснице. [10] У них было два сына, Артур Алан Комптон и Джон Джозеф Комптон . [11]
Комптон проработал год преподавателем физики в Университете Миннесоты в 1916–17, [12] затем два года в качестве инженера-исследователя в компании Westinghouse Lamp Company в Питтсбурге , где он работал над разработкой натриевой лампы . Во время Первой мировой войны разрабатывал авиационное оборудование для войск связи . [10]
В 1919 году Комптон был награжден одной из первых двух стипендий Национального исследовательского совета , которые позволили студентам учиться за границей. Он решил поступить в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета в Англии. Работая с Джорджем Пэджетом Томсоном , сыном Дж. Дж. Томсона , Комптон изучал рассеяние и поглощение гамма -лучей . Он заметил, что рассеянные лучи легче поглощаются, чем исходный источник. [12] [13] Комптон был очень впечатлен учеными Кавендиша, особенно Эрнестом Резерфордом , Чарльзом Гальтоном Дарвином и Артуром Эддингтоном , и в конечном итоге он назвал своего второго сына в честь Дж. Дж. Томсона. [13]
С 1926 по 1927 год он преподавал на химическом факультете Пенджабского университета, где был научным сотрудником Гуггенхайма . [14] [15]
Некоторое время Комптон был дьяконом в баптистской церкви. «Наука не может спорить, — говорил он, — с религией, постулирующей Бога, для которого люди являются Его детьми». [16]
Вернувшись в Соединенные Штаты, Комптон в 1920 году был назначен профессором физики Уэймана Кроу и заведующим кафедрой физики Вашингтонского университета в Сент-Луисе. [8] В 1922 году он обнаружил, что рентгеновские кванты , рассеянные свободными электронами, более длинные волны и, в соответствии с соотношением Планка , меньшую энергию , чем входящие рентгеновские лучи, поскольку избыточная энергия передается электронам. Это открытие, известное как « эффект Комптона » или «рассеяние Комптона», продемонстрировало частицеподобную концепцию электромагнитного излучения . [17] [18]
В 1923 году Комптон опубликовал в журнале Physical Review статью , в которой объяснял рентгеновский сдвиг, приписывая фотонам импульс , подобный частице, что Эйнштейн использовал для своего объяснения фотоэлектрического эффекта, получившего Нобелевскую премию 1905 года . Впервые постулированные Максом Планком в 1900 году, они были концептуализированы как элементы света, «квантованные», содержащие определенное количество энергии, зависящее только от частоты света. [19] В своей статье Комптон вывел математическую связь между сдвигом длины волны и углом рассеяния рентгеновских лучей, предположив, что каждый рассеянный рентгеновский фотон взаимодействует только с одним электроном. Его статья завершается сообщением об экспериментах, которые подтвердили полученное им соотношение:
где
Величина h ⁄ m e c известна как комптоновская длина волны электрона; это равно2,43 × 10-12 м . Сдвиг длины волны λ′ − λ лежит между нулем (для θ = 0° ) и удвоенной комптоновской длиной волны электрона (для θ = 180° ). [20] Он обнаружил, что некоторые рентгеновские лучи не испытывают сдвига длины волны, несмотря на то, что они рассеиваются под большими углами; в каждом из этих случаев фотон не смог выбросить электрон. Таким образом, величина сдвига связана не с комптоновской длиной волны электрона, а с комптоновской длиной волны всего атома, которая может быть в 10 000 раз меньше. [18]
«Когда я представил свои результаты на собрании Американского физического общества в 1923 году, — вспоминал позже Комптон, — это положило начало самой острой научной полемике, которую я когда-либо знал». [21] Волновая природа света была хорошо продемонстрирована, и идея о том, что он может иметь двойственную природу, не была легко принята. Особенно показательно то, что дифракцию в кристаллической решетке можно объяснить только с учетом ее волновой природы. Это принесло Комптону Нобелевскую премию по физике в 1927 году. Комптон и Альфред В. Саймон разработали метод одновременного наблюдения отдельных рассеянных рентгеновских фотонов и электронов отдачи . В Германии Вальтер Боте и Ганс Гейгер независимо друг от друга разработали аналогичный метод. [17]
В 1923 году Комптон перешёл в Чикагский университет в качестве профессора физики [8] и занимал эту должность в течение следующих 22 лет. [17] В 1925 году он продемонстрировал, что рассеяние рентгеновских лучей с напряжением 130 000 вольт от первых шестнадцати элементов периодической таблицы (от водорода до серы) было поляризованным , результат, предсказанный Дж. Дж. Томсоном. Уильям Дуэйн из Гарвардского университета возглавил попытку доказать, что интерпретация Комптона эффекта Комптона неверна. Дуэйн провел серию экспериментов, чтобы опровергнуть Комптона, но вместо этого нашел доказательства того, что Комптон был прав. В 1924 году Дуэйн признал, что это так. [17]
Комптон исследовал влияние рентгеновских лучей на ядра натрия и хлора в соли . Он использовал рентгеновские лучи для исследования ферромагнетизма и пришел к выводу, что он является результатом выравнивания электронных спинов . [22] В 1926 году он стал консультантом отдела ламп в General Electric . В 1934 году он вернулся в Англию в качестве приглашенного профессора Истмана в Оксфордском университете . Находясь там, General Electric попросила его сообщить о деятельности исследовательской лаборатории General Electric Company plc на Уэмбли . Комптон был заинтригован возможностями исследования люминесцентных ламп . Его доклад послужил толчком к созданию исследовательской программы в Америке, которая его разработала. [23] [24]
Первая книга Комптона « Рентгеновские лучи и электроны» была опубликована в 1926 году. В ней он показал, как рассчитывать плотности дифрагирующих материалов по их рентгенограммам. [22] Он переработал свою книгу с помощью Сэмюэля К. Эллисона , чтобы создать «Рентгеновские лучи в теории и эксперименте» (1935). Эта работа оставалась стандартным справочником в течение следующих трех десятилетий. [25]
К началу 1930-х годов Комптон заинтересовался космическими лучами . В то время об их существовании было известно, но их происхождение и природа оставались спекулятивными. Их присутствие можно было обнаружить с помощью сферической «бомбы», содержащей сжатый воздух или аргон, и измерения ее электропроводности. Поездки в Европу, Индию, Мексику, Перу и Австралию дали Комптону возможность измерить космические лучи на разных высотах и широтах. Вместе с другими группами, проводившими наблюдения по всему миру, они обнаружили, что космические лучи на полюсах были на 15% интенсивнее, чем на экваторе. Комптон объяснил это тем, что космические лучи состоят в основном из заряженных частиц, а не из фотонов, как предположил Роберт Милликен , а эффект широты обусловлен магнитным полем Земли . [26]
В апреле 1941 года Ванневар Буш , глава Комитета исследований национальной обороны (NDRC) военного времени, создал специальный комитет во главе с Комптоном для составления отчета об урановой программе NDRC. Доклад Комптона, представленный в мае 1941 года, предусматривал перспективы разработки радиологического оружия , ядерных силовых установок для кораблей и ядерного оружия с использованием урана-235 или недавно открытого плутония . [27] В октябре он написал еще один отчет о практичности атомной бомбы. Для этого отчета он работал с Энрико Ферми над расчетами критической массы урана-235, консервативно оценив ее от 20 килограммов (44 фунта) до 2 тонн (2,0 длинных тонны; 2,2 коротких тонны). Он также обсудил перспективы обогащения урана с Гарольдом Юри , поговорил с Юджином Вигнером о том, как можно производить плутоний в ядерном реакторе , и с Робертом Сербером о том, как плутоний, произведенный в реакторе, можно отделить от урана. В его отчете, представленном в ноябре, говорилось, что создание бомбы возможно, хотя он был более консервативен в отношении ее разрушительной силы, чем Марк Олифант и его британские коллеги. [28]
В окончательном проекте ноябрьского отчета Комптона не упоминалось использование плутония, но после обсуждения последних исследований с Эрнестом Лоуренсом Комптон пришел к убеждению, что создание плутониевой бомбы также возможно. В декабре Комптон был назначен ответственным за плутониевый проект. [29] Он надеялся достичь управляемой цепной реакции к январю 1943 года и создать бомбу к январю 1945 года. Для решения этой проблемы он поручил исследовательским группам работать над плутонием и проектированием ядерных реакторов в Колумбийском университете , Принстонском университете и Университете Калифорнии, Беркли , объединенных в Металлургическую лабораторию в Чикаго. Его целями было создание реакторов для преобразования урана в плутоний, поиск способов химического отделения плутония от урана, а также разработка и создание атомной бомбы . [30]
В июне 1942 года Инженерный корпус армии США взял на себя контроль над программой создания ядерного оружия, а Металлургическая лаборатория Комптона стала частью Манхэттенского проекта. [31] В том же месяце Комптон поручил Роберту Оппенгеймеру ответственность за разработку бомбы. [32] Комптону пришлось решать, какой из различных типов реакторов, разработанных учеными Металлургической лаборатории, следует использовать, даже несмотря на то, что успешный реактор еще не был построен. [33]
Когда трудовые споры задержали строительство нового дома Металлургической лаборатории в заповеднике Аргоннский лес , Комптон решил построить Чикаго Pile-1 , первый ядерный реактор, под трибунами на стадионе Стэгг Филд . [34] Под руководством Ферми ситуация достигла критической точки 2 декабря 1942 года. [35] Комптон организовал, чтобы Маллинкродт взял на себя очистку урановой руды, [36] и вместе с Дюпон построил полуфабрики по производству плутония в Ок-Ридже, штат Теннесси . [37]
Серьезный кризис плутониевой программы произошел в июле 1943 года, когда группа Эмилио Сегре подтвердила, что плутоний, созданный в графитовом реакторе X-10 в Ок-Ридже, содержит высокие уровни плутония-240 . Его самопроизвольное деление исключало использование плутония в ядерном оружии пушечного типа . Лаборатория Оппенгеймера в Лос-Аламосе решила эту задачу, спроектировав и создав ядерное оружие имплозивного типа . [28]
.jpg/1280px-Arthur_H._Compton_House_(7373049818).jpg)
Комптон был на площадке в Хэнфорде в сентябре 1944 года, чтобы наблюдать за вводом в эксплуатацию первого реактора. Первая партия урановых снарядов была загружена в реактор Б в Хэнфорде в ноябре 1944 года, а поставки плутония в Лос-Аламос начались в феврале 1945 года. [38] На протяжении всей войны Комптон оставался видным научным советником и администратором. В 1945 году он вместе с Лоуренсом, Оппенгеймером и Ферми входил в состав Научной комиссии, которая рекомендовала военное использование атомной бомбы против Японии. [39] Он был награжден Медалью за заслуги перед Манхэттенским проектом. [40]
После окончания войны Комптон оставил свою кафедру заслуженного профессора физики Чарльза Х. Свифта в Чикагском университете и вернулся в Вашингтонский университет в Сент-Луисе, где в 1946 году вступил в должность девятого ректора университета . Во время пребывания Комптона на посту канцлера в 1952 году университет официально десегрегировал свои отделения бакалавриата, назначил свою первую женщину-профессора и набрал рекордное количество студентов, поскольку ветераны войны вернулись в Соединенные Штаты. Его репутация и связи в национальных научных кругах позволили ему привлечь в университет многих всемирно известных научных исследователей. Несмотря на достижения Комптона, его критиковали тогда, а затем и историки, за то, что он слишком медленно продвигался к полной расовой интеграции , что сделало Вашингтонский университет последним крупным высшим учебным заведением в Сент-Луисе, открывшим свои двери для афроамериканцев . [41]
Комптон ушел с поста канцлера в 1954 году, но оставался на факультете в качестве заслуженного профессора естественной философии до своего выхода на пенсию с штатного факультета в 1961 году. На пенсии он написал « Атомный квест» , личный отчет о своей роли в Манхэттенском проекте, который был опубликован в 1956 году. [40]
Комптон был одним из немногих ученых и философов, предложивших двухэтапную модель свободы воли . Среди других — Уильям Джеймс , Анри Пуанкаре , Карл Поппер , Генри Маргенау и Дэниел Деннетт . [42] В 1931 году Комптон отстаивал идею человеческой свободы, основанную на квантовой неопределенности , и изобрел идею усиления микроскопических квантовых событий, чтобы привнести случайность в макроскопический мир. В своем несколько причудливом механизме он представил динамитные шашки, прикрепленные к его усилителю, предвосхищая парадокс кота Шредингера , который был опубликован в 1935 году. [43]
Отвечая на критику, что его идеи сделали случайность прямой причиной действий людей, Комптон разъяснил двухэтапную природу своей идеи в статье Atlantic Monthly в 1955 году. Сначала существует ряд случайных возможных событий, затем добавляется определяющий фактор в акт выбора. [44]
Набор известных физических условий недостаточен, чтобы точно определить, каким будет предстоящее событие. Эти условия, насколько они могут быть известны, вместо этого определяют диапазон возможных событий, среди которых произойдет какое-то конкретное событие. Когда человек осуществляет свободу, своим актом выбора он сам добавляет фактор, не обусловленный физическими условиями, и, таким образом, сам определяет, что произойдет. О том, что он это делает, известно только самому человеку. Со стороны в его поступке можно увидеть лишь действие физического закона. Именно внутреннее знание того, что он на самом деле делает то, что намеревается сделать, говорит самому актеру, что он свободен. [44]
Комптон был пресвитерианцем . [45] Его отец Элиас был рукоположенным пресвитерианским священником. [45]
Комптон читал лекции на тему «Место человека в Божьем мире» в Йельском университете , Западной теологической семинарии и Мичиганском университете в 1934–35. [45] Лекции легли в основу его книги «Свобода человека» . Его глава «Смерть или вечная жизнь?» выступал за христианское бессмертие и цитировал стихи из Библии. [45] [46] С 1948 по 1962 год Комптон был старейшиной Второй пресвитерианской церкви в Сент-Луисе. [45] В последние годы своей жизни он стал соавтором книги « Судьба человека в вечности» . Комптон сделал Иисуса центром своей веры в вечный план Бога. [45] Однажды он заметил, что видит действующий в мире дух Иисуса как аспект Бога, живущий в мужчинах и женщинах. [45]
Комптон умер в Беркли, Калифорния , от кровоизлияния в мозг 15 марта 1962 года. Его пережили жена (умерла в 1980 году) и сыновья. Комптон похоронен на Вустерском кладбище в Вустере, штат Огайо. [11] Перед смертью он был профессором Калифорнийского университета в Беркли весной 1962 года. [47]
Комптон получил множество наград при жизни, в том числе Нобелевскую премию по физике в 1927 году, золотую медаль Маттеуччи в 1930 году, медаль Хьюза Королевского общества и медаль Франклина Института Франклина в 1940 году . Американское философское общество в 1925 году, [49] Национальная академия наук США в 1927 году, [50] и Американская академия искусств и наук в 1928 году . [51] Его чтят по-разному. Кратер Комптон на Луне назван в честь Комптона и его брата Карла. [52] В его честь назван корпус физических исследований в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, [53] как и лучшая университетская стипендия для студентов, изучающих математику, физику или планетологию. [54] Комптон изобрел более плавную, удлиненную и наклонную версию « лежачего полицейского» , названную «горб Холли», многие из которых находятся на дорогах кампуса Вашингтонского университета. [55] Чикагский университет вспомнил Комптона и его достижения, посвятив Дом Артура Х. Комптона в его честь. [56] Сейчас он внесен в список национальных исторических памятников . [57] Комптон также имеет звезду на Аллее славы в Сент-Луисе . [58] Комптонская гамма-обсерватория НАСА была названа в честь Комптона. Эффект Комптона занимает центральное место в приборах обнаружения гамма-лучей на борту обсерватории. [59]
СМИ, связанные с Артуром Комптоном, на Викискладе?
