Артур Холли Комптон (10 сентября 1892 — 15 марта 1962) — американский физик, получивший Нобелевскую премию по физике в 1927 году за открытие эффекта Комптона в 1923 году , продемонстрировавшего корпускулярную природу электромагнитного излучения . В то время это было сенсационное открытие: волновая природа света была хорошо доказана, 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 канцлера Вашингтонского университета в Сент-Луисе с 1945 по 1953 год.
В 1919 году Комптону была присуждена одна из первых двух стипендий Национального исследовательского совета , которая позволяла студентам учиться за границей. Он решил поехать 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 это результат выравнивания электронных спинов , и изучал космические лучи , обнаружив, что они в основном состоят из положительно заряженных частиц.
Во время Второй мировой войны Комптон был ключевой фигурой в Манхэттенском проекте , который разработал первое ядерное оружие . Его отчеты были важны для запуска проекта. В 1942 году он стал членом исполнительного комитета , а затем руководителем проектов «X», курируя Металлургическую лабораторию, отвечающую за производство ядерных реакторов для преобразования урана в плутоний , поиск способов отделения плутония от урана и разработку атомной бомбы. Комптон курировал создание Энрико Ферми Чикагского реактора-1 , первого ядерного реактора, который вышел на критический уровень 2 декабря 1942 года. Металлургическая лаборатория также отвечала за проектирование и эксплуатацию графитового реактора X-10 в Оук-Ридже, штат Теннесси . Плутоний начали производить в реакторах Хэнфордской площадки в 1945 году.
После войны Комптон стал канцлером Вашингтонского университета в Сент-Луисе. За время его пребывания в должности университет официально десегрегировал свои отделения бакалавриата, назначил 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] Они были академической семьей. Элиас был деканом Университета Вустера (позже Колледжа Вустера), в котором также учился 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 степень доктора философии по экономике в Принстоне в 1916 году и был президентом Государственного колледжа Вашингтона, позднее Университета штата Вашингтон с 1944 по 1951 год. [4] Все три брата были членами братства Альфа Тау Омега . [5]
Первоначально Комптон интересовался астрономией и сделал фотографию кометы Галлея в 1910 году . [6] Около 1913 года он описал эксперимент, в котором исследование движения воды в круглой трубе продемонстрировало вращение Земли, устройство, теперь известное как генератор Комптона . [7] В том же году он окончил Вустер со степенью бакалавра наук и поступил в Принстон, где в 1914 году получил степень магистра искусств. [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 стали первым таким трио, которое одновременно возглавляло американские колледжи. [4] Их сестра Мэри вышла замуж за миссионера, К. Герберта Райса, который стал директором христианского колледжа Формана в Лахоре . [10] В июне 1916 года Комптон женился на Бетти Чарити Макклоски, однокласснице Вустера и ее коллеге по выпуску. [10] У них было двое сыновей, Артур Алан Комптон и Джон Джозеф Комптон . [11]
Комптон провел год в качестве преподавателя физики в Университете Миннесоты в 1916–17 годах, [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 он разрабатывал авиационные приборы для Корпуса связи . [10]
В 1919 году Комптону была присуждена одна из первых двух стипендий Национального исследовательского совета , которая позволяла студентам учиться за границей. Он решил поехать в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета в Англии. Работая с Джорджем Пейджетом Томсоном , сыном Дж. Дж. Томсона , Комптон изучал рассеяние и поглощение гамма -лучей . Он заметил, что рассеянные лучи поглощались легче, 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 кафедре химии Пенджабского университета , где был стипендиатом Гуггенхайма . [14] [15]
Некоторое время Комптон был дьяконом в баптистской церкви. «Наука не может иметь никаких проблем», — сказал он, «с религией, которая постулирует Бога, для которого люди — как Его дети». [16]
Вернувшись в Соединенные Штаты, Комптон был назначен профессором физики имени Уэймана Кроу и главой физического факультета в Университете Вашингтона в Сент-Луисе в 1920 году. [8] В 1922 году он обнаружил, что рентгеновские кванты, рассеянные свободными электронами, имеют большую длину волны и, в соответствии с соотношением Планка , меньшую энергию , чем входящие рентгеновские лучи, причем избыток энергии передается электронам. Это открытие, известное как « эффект Комптона » или «рассеяние Комптона», продемонстрировало корпускулярную концепцию электромагнитного излучения . [17] [18]
В 1923 году Комптон опубликовал статью в Physical Review , в которой объяснил сдвиг рентгеновских лучей, приписав фотонам импульс, подобный импульсу частиц , что Эйнштейн использовал для своего объяснения фотоэлектрического эффекта , получившего Нобелевскую премию в 1905 году . Впервые постулированные Максом Планком в 1900 году, они были концептуализированы как элементы света, «квантованные» за счет содержания определенного количества энергии, зависящего 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 отчетом об экспериментах, которые подтвердили его выведенное соотношение:
где
Величина h ⁄ m e c известна как комптоновская длина волны электрона; она равна2,43 × 10 −12 м . Сдвиг длины волны λ′ − λ лежит между нулем (для θ = 0° ) и удвоенной длиной волны Комптона электрона (для θ = 180° ). [20] Он обнаружил, что некоторые рентгеновские лучи не испытывают сдвига длины волны, несмотря на то, что рассеиваются под большими углами; в каждом из этих случаев фотон не смог выбросить электрон. Таким образом, величина сдвига связана не с длиной волны Комптона электрона, а с длиной волны Комптона всего атома, которая может быть в 10 000 раз меньше. [18]
«Когда я представил свои результаты на заседании Американского физического общества в 1923 году», — вспоминал позже Комптон, — «это вызвало самую горячую научную дискуссию, которую я когда-либо знал». [21] Волновая природа света была хорошо продемонстрирована, и идея о том, что он может иметь двойственную природу, была принята нелегко. 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 Альфред В. Саймон разработали метод наблюдения в один и тот же момент 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] должность, которую он занимал в течение следующих 22 лет. [17] В 1925 году он продемонстрировал, что рассеяние 130 000-вольтовых рентгеновских лучей от первых шестнадцати элементов в периодической таблице (от водорода до серы) было поляризовано , результат, предсказанный Дж. Дж. Томсоном. Уильям Дуэйн из Гарвардского университета возглавил попытку доказать, что интерпретация Комптона эффекта Комптона была неверной. Дуэйн провёл серию экспериментов, чтобы опровергнуть Комптона, но вместо этого нашёл 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 , заключив, что это было результатом выравнивания электронных спинов . [22] В 1926 году он стал консультантом кафедры ламп в General Electric . В 1934 году он вернулся в Англию в качестве приглашенного профессора Истмена в Оксфордском университете . Пока он был там, General Electric попросила его сделать отчет о деятельности в исследовательской лаборатории General Electric Company plc в Уэмбли . Комптон был заинтригован возможностями исследований там люминесцентных ламп . Его отчет побудил исследовательскую программу в Америке, которая его разработала. [23] [24]
Первая книга Комптона, «Рентгеновские лучи и электроны» , была опубликована в 1926 году. В ней он показал, как вычислять плотность дифрагирующих материалов из их рентгеновских дифракционных картин. [22] Он переработал свою книгу с помощью Сэмюэля К. Эллисона, чтобы создать «Рентгеновские лучи в теории и эксперименте» (1935). Эта работа оставалась стандартным источником в течение следующих трех десятилетий. [25]
К началу 1930-х годов Комптон заинтересовался космическими лучами . В то время их существование было известно, но их происхождение и природа оставались спекулятивными. Их присутствие можно было обнаружить с помощью сферической «бомбы», содержащей сжатый воздух или аргоновый газ, и измерения его электропроводности. Поездки в Европу, Индию, Мексику, Перу и Австралию дали Комптону возможность измерить 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% интенсивнее на полюсах, чем на экваторе. Комптон приписал это эффекту космических лучей, состоящих в основном из заряженных частиц, а не фотонов, как предполагал Роберт Милликен , причем эффект широты был обусловлен магнитным полем Земли . [26]
В апреле 1941 года Ванневар Буш , глава военного Национального комитета по оборонным исследованиям (NDRC), создал специальный комитет во главе с Комптоном для составления отчета по урановой программе NDRC. Отчет Комптона, представленный в мае 1941 года, предвидел перспективы разработки радиологического оружия , ядерных двигателей 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 в диапазоне 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 плутоний может быть произведен в ядерном реакторе , и с Робертом Сербером о том, как плутоний, произведенный в реакторе, может быть отделен от урана. В его докладе, представленном в ноябре, говорилось, что бомба осуществима, хотя он был более консервативен в отношении ее разрушительной силы, чем Марк Олифант и его британские коллеги. [28]
В окончательном варианте ноябрьского отчета Комптона не упоминалось использование плутония, но после обсуждения последних исследований с Эрнестом Лоуренсом Комптон убедился, что плутониевая бомба также осуществима. В декабре Комптон был назначен ответственным за плутониевый проект. [29] Он надеялся достичь контролируемой цепной реакции к январю 1943 года и иметь бомбу к январю 1945 года. Чтобы справиться с этой проблемой, он сосредоточил исследовательские группы, работавшие над проектированием плутония и ядерного реактора в Колумбийском университете , Принстонском университете и Калифорнийском университете в Беркли , в качестве Металлургической лаборатории в Чикаго. Ее целями были производство реакторов для преобразования урана в плутоний, поиск способов химического разделения плутония от урана и проектирование и создание атомной бомбы . [30]
В июне 1942 года Инженерный корпус армии США взял под контроль программу создания ядерного оружия, и Металлургическая лаборатория Комптона стала частью Манхэттенского проекта. [31] В том же месяце Комптон поручил Роберту Оппенгеймеру разработку бомбы. [32] Комптону пришлось решать, какой из различных типов реакторов, разработанных учеными Металлургической лаборатории, следует реализовать, хотя успешный реактор еще не был построен. [33]
Когда трудовые споры задержали строительство нового здания Металлургической лаборатории в заповеднике Аргоннский лес , Комптон решил построить Chicago Pile-1 , первый ядерный реактор, под трибунами Стагг-Филд . [34] Под руководством Ферми 2 декабря 1942 года ситуация стала критической. [35] Комптон договорился с Mallinckrodt о проведении очистки урановой руды, [36] а с DuPont о строительстве полуфабриката плутония в Оук-Ридже, штат Теннесси . [37]
Крупный кризис для плутониевой программы произошел в июле 1943 года, когда группа Эмилио Сегре подтвердила, что плутоний, созданный в графитовом реакторе X-10 в Оук-Ридже, содержал высокие уровни плутония-240 . Его спонтанное деление исключало использование плутония в ядерном оружии пушечного типа . Лос-Аламосская лаборатория Оппенгеймера ответила на вызов, спроектировав и построив 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 запуском первого реактора. Первая партия урановых стержней была загружена в реактор B 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 консультантом 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] За заслуги перед Манхэттенским проектом он был награжден медалью «За заслуги» . [40]
После окончания войны Комптон оставил свою должность профессора физики имени Чарльза Х. Свифта в Чикагском университете и вернулся в Вашингтонский университет в Сент-Луисе, где в 1946 году он был назначен девятым канцлером университета. [40] Во время пребывания Комптона на посту канцлера университет официально десегрегировал свои отделения бакалавриата в 1952 году, назначил свою первую женщину-профессора и принял рекордное количество студентов, поскольку ветераны войны вернулись в Соединенные Штаты. Его репутация и связи в национальных научных кругах позволили ему привлечь в университет многих известных в стране научных исследователей. Несмотря на достижения Комптона, его тогда критиковали, а впоследствии и историки, за слишком медленное движение к полной расовой интеграции , что сделало Вашингтонский университет последним крупным высшим учебным заведением в Сент-Луисе, открывшим свои двери для афроамериканцев . [41]
Комптон вышел на пенсию с поста канцлера в 1954 году, но оставался на факультете в качестве заслуженного профессора естественной философии до своего выхода на пенсию в 1961 году. Находясь на пенсии, он написал книгу «Атомные поиски» , личный отчет о своей роли в Манхэттенском проекте, которая была опубликована в 1956 году. [40]
Комптон был одним из немногих ученых и философов, предложивших двухступенчатую модель свободной воли . Среди других были Уильям Джеймс , Анри Пуанкаре , Карл Поппер , Генри Маргено и Дэниел Деннет . [42] В 1931 году Комптон отстаивал идею человеческой свободы, основанную на квантовой неопределенности , и изобрел понятие усиления микроскопических квантовых событий, чтобы привнести случайность в макроскопический мир. В своем несколько странном механизме он представлял себе динамитные шашки, прикрепленные к своему усилителю, предвосхищая парадокс кота Шредингера , который был опубликован в 1935 году. [43]
Отвечая на критику, что его идеи сделали случайность непосредственной причиной действий людей, Комптон разъяснил двухэтапную природу своей идеи в статье в Atlantic Monthly в 1955 году. Сначала есть ряд случайных возможных событий, затем добавляется определяющий фактор в акте выбора. [44]
Набор известных физических условий недостаточен для точного определения того, каким будет предстоящее событие. Эти условия, насколько они могут быть известны, вместо этого определяют ряд возможных событий, из которых произойдет определенное событие. Когда человек пользуется свободой, своим актом выбора он сам добавляет фактор, не предоставляемый физическими условиями, и таким образом сам определяет то, что произойдет. То, что он делает это, известно только ему самому. Со стороны можно увидеть в его акте только действие физического закона. Именно внутреннее знание того, что он фактически делает то, что намеревается сделать, говорит самому деятелю, 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 годах. [45] Лекции легли в основу его книги «Свобода человека ». В своей главе «Смерть или вечная жизнь?» он отстаивал 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 более поздние годы он стал соавтором книги « Судьба человека в вечности» . Комптон поставил Иисуса в центр своей веры в вечный план Бога. [45] Однажды он заметил, что мог видеть дух Иисуса, действующий в мире, как аспект Бога, живого в мужчинах и женщинах. [45]
Комптон умер в Беркли, Калифорния , от кровоизлияния в мозг 15 марта 1962 года. Его пережили жена (которая умерла в 1980 году) и сыновья. Комптон похоронен на кладбище Вустера в Вустере, штат Огайо. [11] Перед смертью он был профессором по особым поручениям в Калифорнийском университете в Беркли весной 1962 года. [47]
За свою жизнь Комптон получил множество наград, включая 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. [48] Он был избран в Американское философское общество в 1925 году, [49] Национальную академию наук США в 1927 году, [50] и Американскую академию искусств и наук в 1928 году. [51] Его память увековечена различными способами. Кратер Комптона на Луне назван в честь Комптона и его брата Карла. [52] Физическое исследовательское здание в Университете Вашингтона в Сент-Луисе названо в его честь, [53] как и высшая стипендия университета для студентов бакалавриата, изучающих математику, физику или планетологию. [54] Комптон изобрел более пологую, удлиненную и наклонную версию лежачего полицейского, названную «холли хамп», многие из которых находятся на дорогах кампуса Вашингтонского университета. [55] Чикагский университет почтил память Комптона и его достижений, посвятив ему Дом Артура Х. Комптона . [56] Теперь он внесен в список национальных исторических памятников . [57] У Комптона также есть звезда на Аллее славы в Сент-Луисе . [58] Обсерватория гамма-излучения Комптона НАСА была названа в честь Комптона. Эффект Комптона является центральным для приборов обнаружения гамма-излучения на борту обсерватории. [59]
Медиа, связанные с Артуром Комптоном на Wikimedia Commons
