Arturo Compton-Arthur Compton

Arturo Compton
Arturo Compton 1927.jpg
Compton en 1927
Nacido
Arthur Holly Compton

( 09/10/1892 )10 de septiembre de 1892
Wooster, Ohio , Estados Unidos
Fallecido 15 de marzo de 1962 (1962-03-15)(69 años)
Berkeley, California , Estados Unidos
alma mater
Conocido por
Cónyuge
Betty Caridad McCloskey
( m.  1916 )
Niños 2, incluido John Joseph
Premios
carrera cientifica
Campos Física
Instituciones
asesor de doctorado Hereward L. Cooke
estudiantes de doctorado
Firma
Firma de Arthur Compton.png

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 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 aceptada fácilmente. 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 permitía 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 adicionales en este sentido llevaron 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 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 en el lanzamiento del proyecto. En 1942, se convirtió en jefe del 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 de 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 la operación del reactor de grafito X-10 en Oak Ridge, Tennessee. . El plutonio comenzó a producirse en los reactores del sitio de Hanford en 1945.

Después de la guerra, Compton se convirtió en canciller de la Universidad de Washington en St. Louis. Durante su mandato, la universidad eliminó formalmente la segregación de 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 regresaran a los Estados Unidos.

Primeros años de vida

Compton y Werner Heisenberg en 1929 en Chicago

Arthur Compton nació el 10 de septiembre de 1892 en Wooster, Ohio , hijo de Elias y Otelia Catherine ( de soltera Augspurger) Compton, quien fue nombrada Madre estadounidense del año en 1939. Eran una familia académica. Elias fue decano de la Universidad de Wooster (más tarde College of Wooster), a la que también asistió Arthur. El hermano mayor de Arthur, Karl , quien 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 Washington State University , de 1944 a 1951. Los tres hermanos eran miembros de la fraternidad Alpha Tau Omega .

Compton estaba inicialmente interesado en la astronomía y tomó una fotografía del cometa Halley en 1910. 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 Compton . generador _ Ese año, se graduó de Wooster con una licenciatura en ciencias e ingresó a Princeton, donde recibió su maestría en artes en 1914. Luego, Compton estudió para su doctorado en física bajo la supervisión de Hereward L. Cooke, escribiendo su disertación sobre The Intensidad de la reflexión de rayos X y distribución de los electrones en los átomos .

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. Su hermana Mary se casó con un misionero, C. Herbert Rice, quien se convirtió en el director del Forman Christian College en Lahore . En junio de 1916, Compton se casó con Betty Charity McCloskey, una compañera de clase de Wooster y compañera de estudios. Tuvieron dos hijos, Arthur Alan Compton y John Joseph Compton .

Compton pasó un año como instructor de física en la Universidad de Minnesota en 1916-17, 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 .

En 1919, Compton recibió una de las dos primeras becas del Consejo Nacional de Investigación que permitía 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. 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.

Durante un tiempo, Compton fue diácono en una iglesia bautista. "La ciencia no puede estar en desacuerdo", dijo, "con una religión que postula un Dios para quien los hombres son como sus hijos".

Carrera

Compton en la portada de la revista Time el 13 de enero de 1936, sosteniendo su detector de rayos cósmicos.

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. 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 el excedente de energía a los electrones. Este descubrimiento, conocido como el " efecto Compton " o "dispersión Compton", demostró el concepto de partícula de la radiación electromagnética .

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, ganador 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 dependiendo únicamente de la frecuencia de la luz. En su artículo, Compton derivó la relación matemática entre el cambio de 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.

La cantidad hm e c se conoce como la 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° ). Descubrió que algunos rayos X no experimentaron un cambio de longitud de onda a pesar de estar dispersos en 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 Compton del electrón, sino con la longitud de onda Compton del átomo completo, que puede ser hasta 10.000 veces menor.

"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 reñida que jamás haya conocido". La naturaleza ondulatoria de la luz había quedado bien demostrada, y la idea de que pudiera tener una naturaleza dual no se aceptaba fácilmente. 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 individuales de rayos X dispersos y los electrones de retroceso . En Alemania, Walther Bothe y Hans Geiger desarrollaron de forma independiente un método similar.

Rayos X

Compton en la Universidad de Chicago en 1933 con el estudiante graduado Luis Alvarez junto a su telescopio de rayos cósmicos.

En 1923, Compton se trasladó a la Universidad de Chicago como profesor de física, cargo que ocuparía durante los siguientes 22 años. 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 incorrecta. 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.

Compton investigó el efecto de los rayos X en los núcleos de sodio y cloro en la sal . Usó rayos X para investigar el ferromagnetismo y concluyó que era el resultado de la alineación de los espines de los electrones . 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 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 allí sobre lámparas fluorescentes . Su informe impulsó un programa de investigación en Estados Unidos que lo desarrolló.

El primer libro de Compton, X-Rays and Electrons , 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. 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.

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 especulaciones. Su presencia podría detectarse utilizando una "bomba" esférica que contenga 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 realizaron observaciones en todo el mundo, descubrieron 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 había sugerido Robert Millikan , y el efecto de latitud se debe al campo magnético de la Tierra .

proyecto manhattan

Tarjeta de identificación de Arthur Compton del sitio de Hanford. Por razones de seguridad usó un seudónimo.

En abril de 1941, Vannevar Bush , jefe del Comité de Investigación de la Defensa Nacional (NDRC) en tiempos de guerra, 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 que utilizan uranio-235 o el plutonio recientemente descubierto . En octubre escribió otro informe sobre la practicidad de una bomba atómica. Para este informe, trabajó con Enrico Fermi en los cálculos de la masa crítica del uranio-235, estimando de forma conservadora entre 20 kilogramos (44 libras) y 2 toneladas (2,0 toneladas largas; 2,2 toneladas cortas). También analizó 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, afirmaba que una bomba era factible, aunque era más conservador sobre su poder destructivo que Mark Oliphant y sus colegas británicos.

El borrador final del informe de noviembre de Compton no mencionó 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. 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 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 .

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 . Ese mes, Compton le dio a Robert Oppenheimer la responsabilidad del diseño de la bomba. Le correspondió a Compton decidir cuál de los diferentes tipos de diseños de reactores que los científicos del Laboratorio Metalúrgico habían ideado debía seguirse, aunque aún no se había construido un reactor exitoso.

Cuando las disputas laborales retrasaron la construcción del nuevo hogar del Laboratorio Metalúrgico en Red Gate Woods , Compton decidió construir Chicago Pile-1 , el primer reactor nuclear, debajo de las gradas en Stagg Field . Bajo la dirección de Fermi, se volvió crítico el 2 de diciembre de 1942. Compton hizo arreglos para que Mallinckrodt se encargara de la purificación del mineral de uranio y con DuPont para construir la semi-planta de plutonio en Oak Ridge, Tennessee .

Una crisis importante 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 Álamos de Oppenheimer enfrentó el desafío diseñando y construyendo un arma nuclear de tipo implosión .

La casa de Compton en Chicago, ahora un hito nacional

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 lingotes 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. Durante la guerra, Compton seguiría siendo un destacado asesor científico y administrador. En 1945, sirvió, junto con Lawrence, Oppenheimer y Fermi, en el Panel Científico que recomendó el uso militar de la bomba atómica contra Japón. Fue galardonado con la Medalla al Mérito por sus servicios al Proyecto Manhattan.

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 asumió como el noveno rector de la universidad en 1946. Durante el tiempo de Compton como canciller, la universidad eliminó formalmente sus divisiones de pregrado en 1952, nombró a su primera profesora titular e inscribió un número récord de estudiantes como veteranos de guerra que 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 completa , convirtiendo a la Universidad de Washington en la última institución importante de educación superior en St. Louis en abrir sus puertas a los afroamericanos .

Compton se retiró como rector 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. Cuando se jubiló, escribió Atomic Quest, un relato personal de su papel en el Proyecto Manhattan , que fue publicado en 1956.

Filosofía

Compton fue uno de los pocos científicos y filósofos que propusieron un modelo de libre albedrío de dos etapas . Otros incluyen a William James , Henri Poincaré , Karl Popper , Henry Margenau y Daniel Dennett . 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 conectados a su amplificador, anticipando la paradoja del gato de Schrödinger , que se publicó en 1935.

Reaccionando 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 gama de posibles eventos aleatorios, luego se agrega un factor determinante en el acto de elección.

Un conjunto de condiciones físicas conocidas no es adecuado para especificar con precisión lo que será un evento próximo. Estas condiciones, en la medida en que pueden ser conocidas, definen en cambio un rango de eventos posibles de entre los cuales ocurrirá algún evento 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, él mismo está determinando lo que ocurrirá. Que lo hace sólo lo sabe la persona misma. Desde el exterior, uno puede ver en su acto solo 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.

Puntos de vista religiosos

Compton era presbiteriano . Su padre Elias era un ministro presbiteriano ordenado.

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 en 1934-35. 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. De 1948 a 1962, Compton fue anciano de la Segunda Iglesia Presbiteriana en St. Louis. En sus últimos años, fue coautor del libro El destino del hombre en la eternidad . Compton colocó a Jesús como el centro de su fe en el plan eterno de Dios. Una vez comentó que podía ver el espíritu de Jesús obrando en el mundo como un aspecto de Dios vivo en hombres y mujeres.

Muerte y legado

El Observatorio de Rayos Gamma Compton puesto en órbita terrestre en 1991

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 de Wooster en Wooster, Ohio. Antes de su muerte, fue profesor general en la Universidad de California, Berkeley durante la primavera de 1962.

Compton recibió muchos premios durante 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. Se le conmemora de varias maneras. El cráter Compton en la Luna lleva el nombre de Compton y su hermano Karl. El edificio de investigación de física de la Universidad de Washington en St Louis lleva su nombre en su honor, al igual que la principal beca de la universidad para estudiantes universitarios que estudian matemáticas, física o ciencias planetarias. Compton inventó una versión más suave, alargada y en rampa del badén llamado "Holly joroba", muchos de los cuales se encuentran en las carreteras del campus de la Universidad de Washington. La Universidad de Chicago recordó a Compton y sus logros dedicando la Casa Arthur H. Compton en su honor. Ahora aparece como Monumento Histórico Nacional . Compton también tiene una estrella en el Paseo de la Fama de St. Louis . 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.

Bibliografía

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notas

Referencias

enlaces externos