Arthur Compton -Arthur Compton

Arthur Compton
Arthur Compton 1927.jpg
Compton en 1927
Arthur Holly Compton

( 10/09/1892 )10 septembre 1892
Wooster, Ohio , États-Unis
Décédé 15 mars 1962 (1962-03-15)(69 ans)
Berkeley, Californie , États-Unis
mère nourricière
Connu pour
Conjoint
Betty Charity McCloskey
( m.  1916 )
Enfants 2, dont Jean Joseph
Prix
Carrière scientifique
Des champs La physique
Établissements
Conseillère doctorale Hereward L. Cooke
Doctorants
Signature
Arthur Compton signature.png

Arthur Holly Compton (10 septembre 1892 - 15 mars 1962) était un physicien américain qui a remporté le prix Nobel de physique en 1927 pour sa découverte en 1923 de l' effet Compton , qui a démontré la nature particulaire du rayonnement électromagnétique . C'était une découverte sensationnelle à l'époque : la nature ondulatoire de la lumière avait été bien démontrée, mais l'idée que la lumière avait à la fois des propriétés ondulatoires et particulaires n'était pas facilement acceptée. Il est également connu pour son leadership sur le laboratoire métallurgique de l' Université de Chicago pendant le projet Manhattan et a été chancelier de l'Université de Washington à Saint-Louis de 1945 à 1953.

En 1919, Compton a reçu l'une des deux premières bourses du Conseil national de recherches qui ont permis aux étudiants d'étudier à l'étranger. Il a choisi d'aller au Cavendish Laboratory de l'Université de Cambridge en Angleterre, où il a étudié la diffusion et l'absorption des rayons gamma . D'autres recherches dans ce sens ont conduit à la découverte de l'effet Compton. Il a utilisé les rayons X pour étudier le ferromagnétisme , concluant qu'il résultait de l'alignement des spins des électrons , et a étudié les rayons cosmiques , découvrant qu'ils étaient principalement constitués de particules chargées positivement.

Pendant la Seconde Guerre mondiale , Compton était un personnage clé dans le projet Manhattan qui a développé les premières armes nucléaires . Ses rapports ont été importants dans le lancement du projet. En 1942, il devient chef du Laboratoire métallurgique, chargé de produire des réacteurs nucléaires pour convertir l'uranium en plutonium, de trouver des moyens de séparer le plutonium de l'uranium et de concevoir une bombe atomique. Compton a supervisé la création par Enrico Fermi de Chicago Pile-1 , le premier réacteur nucléaire, qui est devenu critique le 2 décembre 1942. Le laboratoire métallurgique était également responsable de la conception et de l'exploitation du réacteur en graphite X-10 à Oak Ridge, Tennessee. . Le plutonium a commencé à être produit dans les réacteurs du site de Hanford en 1945.

Après la guerre, Compton est devenu chancelier de l'Université de Washington à Saint-Louis. Au cours de son mandat, l'université a officiellement déségrégé ses divisions de premier cycle, a nommé sa première femme professeur titulaire et a inscrit un nombre record d'étudiants après le retour des anciens combattants de la guerre aux États-Unis.

Début de la vie

Compton et Werner Heisenberg en 1929 à Chicago

Arthur Compton est né le 10 septembre 1892 à Wooster, Ohio , fils d'Elias et Otelia Catherine ( née Augspurger) Compton, qui a été nommée mère américaine de l'année en 1939. Ils étaient une famille universitaire. Elias était doyen de l' Université de Wooster (plus tard le Collège de Wooster), qu'Arthur fréquentait également. Le frère aîné d'Arthur, Karl , qui a également fréquenté Wooster, a obtenu un doctorat en physique de l'Université de Princeton en 1912 et a été président du Massachusetts Institute of Technology de 1930 à 1948. Son deuxième frère Wilson a également fréquenté Wooster, a obtenu son doctorat en économie à Princeton en 1916 et a été président du State College of Washington, plus tard Washington State University de 1944 à 1951. Les trois frères étaient membres de la fraternité Alpha Tau Omega .

Compton s'est d'abord intéressé à l'astronomie et a pris une photographie de la comète de Halley en 1910. Vers 1913, il a décrit une expérience où un examen du mouvement de l'eau dans un tube circulaire a démontré la rotation de la terre, un appareil maintenant connu sous le nom de Compton générateur . Cette année-là, il est diplômé de Wooster avec un baccalauréat ès sciences et est entré à Princeton, où il a obtenu sa maîtrise ès arts en 1914. Compton a ensuite étudié pour son doctorat en physique sous la direction de Hereward L. Cooke, rédigeant sa thèse sur The Intensité de la réflexion des rayons X et répartition des électrons dans les atomes .

Quand Arthur Compton a obtenu son doctorat en 1916, lui, Karl et Wilson sont devenus le premier groupe de trois frères à obtenir un doctorat de Princeton. Plus tard, ils deviendront le premier trio de ce type à diriger simultanément des collèges américains. Leur sœur Mary a épousé un missionnaire, C. Herbert Rice, qui est devenu le directeur du Forman Christian College à Lahore . En juin 1916, Compton épousa Betty Charity McCloskey, une camarade de classe de Wooster et une autre diplômée. Ils ont eu deux fils, Arthur Alan Compton et John Joseph Compton .

Compton a passé un an comme professeur de physique à l' Université du Minnesota en 1916-1917, puis deux ans comme ingénieur de recherche à la Westinghouse Lamp Company à Pittsburgh , où il a travaillé sur le développement de la lampe à vapeur de sodium . Pendant la Première Guerre mondiale, il a développé des instruments de bord pour le Signal Corps .

En 1919, Compton a reçu l'une des deux premières bourses du Conseil national de recherches qui ont permis aux étudiants d'étudier à l'étranger. Il a choisi d'aller au Cavendish Laboratory de l'Université de Cambridge en Angleterre. Travaillant avec George Paget Thomson , le fils de J.J. Thomson , Compton a étudié la diffusion et l'absorption des rayons gamma . Il a observé que les rayons diffusés étaient plus facilement absorbés que la source d'origine. Compton a été très impressionné par les scientifiques de Cavendish, en particulier Ernest Rutherford , Charles Galton Darwin et Arthur Eddington , et il a finalement nommé son deuxième fils après J. J. Thomson.

Pendant un certain temps, Compton a été diacre dans une église baptiste. "La science ne peut avoir de querelle", a-t-il dit, "avec une religion qui postule un Dieu pour qui les hommes sont comme ses enfants".

Carrière

Compton en couverture du magazine Time le 13 janvier 1936, tenant son détecteur de rayons cosmiques

Effet Compton

De retour aux États-Unis, Compton a été nommé professeur de physique Wayman Crow et chef du département de physique de l'Université de Washington à Saint-Louis en 1920. En 1922, il a découvert que les quanta de rayons X diffusés par des électrons libres avaient des longueurs d'onde plus longues et , conformément à la relation de Planck , moins d'énergie que les rayons X entrants, le surplus d'énergie ayant été transféré aux électrons. Cette découverte, connue sous le nom d'" effet Compton " ou "diffusion Compton", a démontré le concept de particule du rayonnement électromagnétique .

En 1923, Compton a publié un article dans la Physical Review qui expliquait le déplacement des rayons X en attribuant une impulsion de type particule aux photons , ce qu'Einstein avait invoqué pour son explication de l' effet photoélectrique , lauréate du prix Nobel de 1905 . Postulés pour la première fois par Max Planck en 1900, ceux-ci ont été conceptualisés comme des éléments de lumière "quantifiés" en contenant une quantité spécifique d'énergie dépendant uniquement de la fréquence de la lumière. Dans son article, Compton a dérivé la relation mathématique entre le décalage de la longueur d'onde et l'angle de diffusion des rayons X en supposant que chaque photon de rayons X diffusé interagissait avec un seul électron. Son article conclut en rendant compte des expériences qui ont vérifié sa relation dérivée :

est la longueur d'onde initiale,
est la longueur d'onde après diffusion,
est la constante de Planck ,
est la masse au repos des électrons ,
est la vitesse de la lumière , et
est l'angle de diffusion.

La quantité hm e c est connue comme la longueur d'onde Compton de l'électron ; c'est égal à2,43 × 10 −12  m . Le décalage de longueur d'onde λ′λ est compris entre zéro (pour θ = 0° ) et deux fois la longueur d'onde Compton de l'électron (pour θ = 180° ). Il a découvert que certains rayons X ne subissaient aucun décalage de longueur d'onde malgré leur diffusion sous de grands angles; dans chacun de ces cas, le photon n'a pas réussi à éjecter un électron. Ainsi, l'amplitude du décalage n'est pas liée à la longueur d'onde Compton de l'électron, mais à la longueur d'onde Compton de l'atome entier, qui peut être jusqu'à 10 000 fois plus petite.

"Quand j'ai présenté mes résultats lors d'une réunion de l' American Physical Society en 1923", a rappelé Compton plus tard, "cela a lancé la controverse scientifique la plus vivement contestée que j'aie jamais connue." La nature ondulatoire de la lumière avait été bien démontrée, et l'idée qu'elle pouvait avoir une double nature n'était pas facilement acceptée. Il était particulièrement révélateur que la diffraction dans un réseau cristallin ne puisse être expliquée qu'en référence à sa nature ondulatoire. Il a valu à Compton le prix Nobel de physique en 1927. Compton et Alfred W. Simon ont développé la méthode pour observer au même instant les photons X diffusés individuels et les électrons de recul . En Allemagne, Walther Bothe et Hans Geiger ont développé indépendamment une méthode similaire.

rayons X

Compton à l'Université de Chicago en 1933 avec l'étudiant diplômé Luis Alvarez à côté de son télescope à rayons cosmiques.

En 1923, Compton s'installe à l' Université de Chicago en tant que professeur de physique, poste qu'il occupera pendant les 22 années suivantes. En 1925, il a démontré que la diffusion des rayons X de 130 000 volts des seize premiers éléments du tableau périodique (de l'hydrogène au soufre) était polarisée , un résultat prédit par JJ Thomson. William Duane de l'Université de Harvard a dirigé un effort pour prouver que l'interprétation de l'effet Compton par Compton était erronée. Duane a mené une série d'expériences pour réfuter Compton, mais a plutôt trouvé des preuves que Compton avait raison. En 1924, Duane a admis que c'était le cas.

Compton a étudié l'effet des rayons X sur les noyaux de sodium et de chlore dans le sel . Il a utilisé les rayons X pour étudier le ferromagnétisme , concluant que c'était le résultat de l'alignement des spins des électrons . En 1926, il devient consultant pour le département Lampes de General Electric . En 1934, il retourne en Angleterre en tant que professeur invité Eastman à l'Université d'Oxford . Pendant son séjour, General Electric lui a demandé de rendre compte des activités du laboratoire de recherche de General Electric Company plc à Wembley . Compton a été intrigué par les possibilités de la recherche là-bas dans les lampes fluorescentes . Son rapport a suscité un programme de recherche en Amérique qui l'a développé.

Le premier livre de Compton, X-Rays and Electrons , a été publié en 1926. Il y montrait comment calculer les densités de matériaux diffractants à partir de leurs diagrammes de diffraction des rayons X. Il a révisé son livre avec l'aide de Samuel K. Allison pour produire X-Rays in Theory and Experiment (1935). Ce travail est resté une référence standard pour les trois décennies suivantes.

Rayons cosmiques

Au début des années 1930, Compton s'est intéressé aux rayons cosmiques . A l'époque, leur existence était connue mais leur origine et leur nature restaient spéculatives. Leur présence pourrait être détectée à l'aide d'une "bombe" sphérique contenant de l'air comprimé ou du gaz argon et mesurant sa conductivité électrique. Des voyages en Europe, en Inde, au Mexique, au Pérou et en Australie ont permis à Compton de mesurer les rayons cosmiques à différentes altitudes et latitudes. Avec d'autres groupes qui ont fait des observations autour du globe, ils ont découvert que les rayons cosmiques étaient 15% plus intenses aux pôles qu'à l'équateur. Compton a attribué cela à l'effet des rayons cosmiques constitués principalement de particules chargées, plutôt que de photons comme l' avait suggéré Robert Millikan , l'effet de latitude étant dû au champ magnétique terrestre .

Projet Manhattan

Badge d'identification d'Arthur Compton du site de Hanford. Pour des raisons de sécurité, il a utilisé un pseudonyme.

En avril 1941, Vannevar Bush , chef du Comité de recherche sur la défense nationale (NDRC) en temps de guerre, créa un comité spécial dirigé par Compton pour faire rapport sur le programme d'uranium du NDRC. Le rapport de Compton, qui a été soumis en mai 1941, prévoyait les perspectives de développement d'armes radiologiques , de propulsion nucléaire pour les navires et d'armes nucléaires utilisant l'uranium 235 ou le plutonium récemment découvert . En octobre, il écrivit un autre rapport sur l'aspect pratique d'une bombe atomique. Pour ce rapport, il a travaillé avec Enrico Fermi sur les calculs de la masse critique d'uranium-235, l'estimant prudemment entre 20 kilogrammes (44 lb) et 2 tonnes (2,0 tonnes longues; 2,2 tonnes courtes). Il a également discuté des perspectives d' enrichissement de l'uranium avec Harold Urey , s'est entretenu avec Eugene Wigner de la manière dont le plutonium pourrait être produit dans un réacteur nucléaire et avec Robert Serber de la manière dont le plutonium produit dans un réacteur pourrait être séparé de l'uranium. Son rapport, soumis en novembre, indiquait qu'une bombe était faisable, bien qu'il soit plus conservateur quant à son pouvoir destructeur que Mark Oliphant et ses collègues britanniques.

Le projet final du rapport de novembre de Compton ne faisait aucune mention de l'utilisation de plutonium, mais après avoir discuté des dernières recherches avec Ernest Lawrence , Compton est devenu convaincu qu'une bombe au plutonium était également réalisable. En décembre, Compton a été chargé du projet de plutonium. Il espérait obtenir une réaction en chaîne contrôlée d'ici janvier 1943 et avoir une bombe d'ici janvier 1945. Pour s'attaquer au problème, il fit travailler les groupes de recherche sur le plutonium et la conception de réacteurs nucléaires à l' Université de Columbia , à l'Université de Princeton et à l' Université de Californie. Berkeley , concentré ensemble sous le nom de Metallurgical Laboratory à Chicago. Ses objectifs étaient de produire des réacteurs pour convertir l'uranium en plutonium, de trouver des moyens de séparer chimiquement le plutonium de l'uranium et de concevoir et construire une bombe atomique .

En juin 1942, le United States Army Corps of Engineers a pris le contrôle du programme d'armes nucléaires et le laboratoire métallurgique de Compton est devenu une partie du projet Manhattan . Ce mois-là, Compton a confié à Robert Oppenheimer la responsabilité de la conception de la bombe. Il incombait à Compton de décider lequel des différents types de réacteurs conçus par les scientifiques du Laboratoire métallurgique devait être poursuivi, même si un réacteur performant n'avait pas encore été construit.

Lorsque des conflits de travail ont retardé la construction de la nouvelle maison du laboratoire métallurgique à Red Gate Woods , Compton a décidé de construire Chicago Pile-1 , le premier réacteur nucléaire, sous les gradins de Stagg Field . Sous la direction de Fermi, il est devenu critique le 2 décembre 1942. Compton s'est arrangé pour que Mallinckrodt entreprenne la purification du minerai d'uranium et avec DuPont pour construire la semi-usine de plutonium à Oak Ridge, Tennessee .

Une crise majeure pour le programme de plutonium s'est produite en juillet 1943, lorsque le groupe d' Emilio Segrè a confirmé que le plutonium créé dans le réacteur de graphite X-10 à Oak Ridge contenait des niveaux élevés de plutonium-240 . Sa fission spontanée a exclu l'utilisation du plutonium dans une arme nucléaire de type canon . Le laboratoire Los Alamos d'Oppenheimer a relevé le défi en concevant et en construisant une arme nucléaire de type implosion .

La maison de Compton à Chicago, aujourd'hui un monument national

Compton était sur le site de Hanford en septembre 1944 pour assister à la mise en service du premier réacteur. Le premier lot de limaces d'uranium a été introduit dans le réacteur B à Hanford en novembre 1944, et les expéditions de plutonium à Los Alamos ont commencé en février 1945. Tout au long de la guerre, Compton restera un éminent conseiller scientifique et administrateur. En 1945, il a siégé, avec Lawrence, Oppenheimer et Fermi, au comité scientifique qui a recommandé l'utilisation militaire de la bombe atomique contre le Japon. Il a reçu la médaille du mérite pour ses services au projet Manhattan.

Retour à l'Université de Washington

Après la fin de la guerre, Compton a démissionné de son poste de professeur de physique du service distingué Charles H. Swift à l'Université de Chicago et est retourné à l'Université de Washington à Saint-Louis, où il a été inauguré en tant que neuvième chancelier de l'université en 1946. Pendant le temps de Compton comme chancelier, l'université a officiellement déségrégé ses divisions de premier cycle en 1952, a nommé sa première femme professeur titulaire et a inscrit un nombre record d'étudiants alors que les anciens combattants de la guerre retournaient aux États-Unis. Sa réputation et ses relations dans les cercles scientifiques nationaux lui ont permis de recruter de nombreux chercheurs scientifiques de renommée nationale à l'université. Malgré les réalisations de Compton, il a été critiqué à l'époque, puis par les historiens, pour avoir avancé trop lentement vers une intégration raciale complète , faisant de l'Université de Washington la dernière grande institution d'enseignement supérieur de Saint-Louis à ouvrir ses portes aux Afro-Américains .

Compton a pris sa retraite en tant que chancelier en 1954, mais est resté à la faculté en tant que professeur de service distingué de philosophie naturelle jusqu'à sa retraite de la faculté à plein temps en 1961. À la retraite, il a écrit Atomic Quest , un récit personnel de son rôle dans le projet Manhattan , qui a été publié en 1956.

Philosophie

Compton était l'un des rares scientifiques et philosophes à proposer un modèle de libre arbitre en deux étapes . D'autres incluent William James , Henri Poincaré , Karl Popper , Henry Margenau et Daniel Dennett . En 1931, Compton a défendu l'idée de la liberté humaine basée sur l'indétermination quantique et a inventé la notion d'amplification des événements quantiques microscopiques pour apporter le hasard dans le monde macroscopique. Dans son mécanisme un peu bizarre, il imagine des bâtons de dynamite attachés à son amplificateur, anticipant le paradoxe du chat de Schrödinger , publié en 1935.

Réagissant aux critiques selon lesquelles ses idées faisaient du hasard la cause directe des actions des gens, Compton a clarifié la nature en deux étapes de son idée dans un article de l'Atlantic Monthly en 1955. Il y a d'abord une gamme d'événements aléatoires possibles, puis on ajoute un facteur déterminant dans l'acte de choix.

Un ensemble de conditions physiques connues n'est pas suffisant pour spécifier précisément ce que sera un événement à venir. Ces conditions, dans la mesure où elles peuvent être connues, définissent plutôt une gamme d'événements possibles parmi lesquels un événement particulier se produira. Lorsqu'on exerce la liberté, par son acte de choix, il ajoute lui-même un facteur non fourni par les conditions physiques et détermine ainsi lui-même ce qui se passera. Qu'il le fasse n'est connu que de la personne elle-même. De l'extérieur, on ne peut voir dans son acte que le fonctionnement de la loi physique. C'est la connaissance intérieure qu'il fait en fait ce qu'il a l'intention de faire qui indique à l'acteur lui-même qu'il est libre.

Opinions religieuses

Compton était un presbytérien . Son père Elias était un ministre presbytérien ordonné.

Compton a donné une conférence sur la "place de l'homme dans le monde de Dieu" à l'Université de Yale , au Western Theological Seminary et à l' Université du Michigan en 1934-1935. Les conférences ont formé la base de son livre The Freedom of Man . Son chapitre "La mort ou la vie éternelle?" a plaidé pour l'immortalité chrétienne et a cité des versets de la Bible. De 1948 à 1962, Compton était un ancien de la Second Presbyterian Church à St. Louis. Dans ses dernières années, il a co-écrit le livre Man's Destiny in Eternity . Compton a placé Jésus au centre de sa foi dans le plan éternel de Dieu. Il a dit un jour qu'il pouvait voir l'esprit de Jésus à l'œuvre dans le monde comme un aspect de Dieu vivant chez les hommes et les femmes.

Mort et héritage

L' observatoire Compton Gamma Ray mis en orbite terrestre en 1991

Compton est décédé à Berkeley, en Californie , d'une hémorragie cérébrale le 15 mars 1962. Il a laissé dans le deuil sa femme (décédée en 1980) et ses fils. Compton est enterré au cimetière Wooster à Wooster, Ohio. Avant sa mort, il a été professeur titulaire à l' Université de Californie à Berkeley au printemps 1962.

Compton a reçu de nombreux prix au cours de sa vie, dont le prix Nobel de physique en 1927, la médaille d'or Matteucci en 1930, la médaille Hughes de la Royal Society et la médaille Franklin de l' Institut Franklin en 1940. Il est commémoré de diverses manières. Le cratère Compton sur la Lune porte le nom de Compton et de son frère Karl. Le bâtiment de recherche en physique de l'Université de Washington à St Louis est nommé en son honneur, tout comme la meilleure bourse de l'université pour les étudiants de premier cycle étudiant les mathématiques, la physique ou les sciences planétaires. Compton a inventé une version plus douce, allongée et en rampe du ralentisseur appelé "Holly hump", dont beaucoup se trouvent sur les routes du campus de l'Université de Washington. L'Université de Chicago s'est souvenue de Compton et de ses réalisations en dédiant la maison Arthur H. Compton en son honneur. Il est maintenant classé monument historique national . Compton a également une étoile sur le St. Louis Walk of Fame . Le Compton Gamma Ray Observatory de la NASA a été nommé en l'honneur de Compton. L'effet Compton est au cœur des instruments de détection des rayons gamma à bord de l'observatoire.

Bibliographie

  • Compton, Arthur (1926). Rayons X et électrons : aperçu de la théorie récente des rayons X. New York : D. Van Nostrand Company, Inc. OCLC  1871779 .
  • Compton, Arthur; avec Allison, Sask. (1935). Rayons X en théorie et en expérience . New York : D. Van Nostrand Company, Inc. OCLC  853654 .
  • Compton, Arthur (1935). La Liberté de l'Homme . New Haven : Presse universitaire de Yale. OCLC  5723621 .
  • Compton, Arthur (1940). Le sens humain de la science . Chapel Hill: Presse de l'Université de Caroline du Nord. OCLC  311688 .
  • Compton, Arthur (1949). Destin de l'homme dans l'éternité . Boston : Beacon Press. OCLC  4739240 .
  • Compton, Arthur (1956). Quête atomique . New York : presse universitaire d'Oxford. OCLC  173307 .
  • Compton, Arthur (1967). Johnston, Marjorie (éd.). Le Cosmos d'Arthur Holly Compton . New York : Alfred A. Knopf. OCLC  953130 .
  • Compton, Arthur (1973). Shankland, Robert S. (éd.). Articles scientifiques d'Arthur Holly Compton . Chicago : presse de l'université de Chicago. ISBN 978-0-226-11430-9. OCLC  962635 .

Remarques

Les références

Liens externes