Arthur Compton

Arthur Holly Compton (d. 10 Eylül 1892 - ö. 15 Mart 1962), 1927’de elektromanyetik radyasyonun parçacık doğasını gösteren Compton etkisinin keşfi ile Nobel Fizik Ödülü kazanmış Amerikalı fizikçidir. Zamanında çok dikkat çeken bir buluştur. Işığın dalga doğası o zamanlarda iyi anlaşılmış olsa da ışığın hem dalga hem parçacık olabileceği fikri kolay kabul görmemiştir. Kendisi ayrıca Manhattan Projesindeki Metallurji Laboratuvarının başı ve 1945 ile 1953 seneleri arasında  St. Louis Washington Üniversitesi Rektörüdür.

1919’da Compton Ulusal Araştırma Kurulu tarafından ilk defa verilen iki burstan birini alarak yurtdışında eğitim görme fırsatı kazanmıştır. Gamma ışınlarının saçınımı ve absorpsiyonu konusunda çalışacağı Cambrigde Üniversitesi’ndeki Cavendish Laboratuvarını tercih etmiştir. Daha sonraki araştırmaları sonucunda Compton etkisini bulmuştur. X-ışınlarını kullanarak ferromanyetizmi incelemi ve bu olayın elektron spinlerinin aynı hizaya gelmesi sonucu olduğu sonucuna varmıştır, ayrıca kozmik ışınlar üzerine çalışmış ve bunların prensipte pozitif yüklü parçacıklar olduğunu keşfetmiştir.

2. Dünya Savaşı sırasında ilk nükleer silahların geliştirildiği Manhattan Projesinde anahtar rollerden birini oynamıştır. Raporları projenin başlatılmasında önemli rol oynamıştır. 1942’de Metalurji Laboratuvarının lideri konumuna gelmiştir ve sorumlulukları arasında uranyumu plutonyuma çevirecek reaktörleri üretmek ve tasarlamak, uranyum ile plutonyumu birbirinden ayıracak yolları bulmak ve bombanın tasarımını yapmak vardır. Compton Enrico Fermi’nin Chicago Pile-1 tasarımını öngörmüştür ve ilk nükleer reaktör olarak tasarım ilk defa 2 Aralık 1942’de çalıştırılmıştır. Metalurji Laboratuvarı ayrıca Oak Ridge Tennessee’deki X-10 Graphite Reaktörünün tasarlanması ve işletilmesinden de sorumludur. Plutonyum üretimi Hanford alanındaki reaktörlerde 1945'te başlamıştır.

Savaşın ardından Compton St. Louis Washington Üniversitesinde rektör olarak görev almıştır. Çalıştığı sırada üniversite resmi olarak ırk ayrımını lisans bölümlerinde sonlandırmış, ilk bayan profesörünü işe almış ve savaş emeklilerinin Amerika'ya dönmesi ile rekor sayıda öğrenci almıştır.

Elias ve Otelia Catherine Compton’un oğlu Arthur Compton 10 Ekim 1892 tarihinde Wooster Ohio’da dünyaya gelmiştir. Ailesi akademik kariyer sahibi idi. Elias Arthur’un da katıldığı Wooster Üniversitesinde dekandı. Artur’un en büyük kardeşi Karl, kendisi de Wooster’a katılmıştır, fizik alanında doktorasını Princeton Üniversitesinden 1912 senesinde almış ve MIT’de 1930 ile 1948 yılları arasında başkanlık görevi almıştır. İkinci kardeşi Wilson da Wooster’a katılmış ve ekonomi alanında doktorasını Princeton’da 1916 senesinde almıştır ve Washington Eyalet Üniversitesinde 1944 ile 1951 seneleri arasında başkanlık görevi almıştır. Her üç kardeş de Alpha Tau Omega yurdunun üyesidir.

Compton ilk başlarda astronomi alanı ile ilgilenmiştir ve Halley kuyrukluyıldızının 1910 yılında fotoğrafını çekmiştir. 1913 yılı civarında yaptığı, dairesel bir tüpün içindeki suyun hareketini inceleyerek dünyanın dönüş hareketini gösterdiği bir deney yaptığından bahsetmiştir. O sene Wooster’dan lisans derecesi ile mezun olduktan sonra Princeton a girdi ve orada 1914 senesinde beşeri bilimler yüksek lisansını tamamlamıştır. Compton bundan sonra fizik alanında doktorasını Hereward L. Cooke denetiminde “X-ray yansıma yoğunluğu ve atom içinde elektronların dağılımı” konusunda tezini yazmıştır.

Compton Minnesota üniversitesinde 1916-1917 yılları arasında fizik eğitmenliği yaptı. Ardından 2 sene sodyum buhar lambasını geliştirdiği Westinghouse Lamba Şirketi’nde araştırma mühendisliği görevi aldı.1. Dünya Savaşı sırasında Haberleşme Bölüğü için uçak enstrümanları geliştirdi.

1919’da Compton Ulusal Araştırma Kurulu tarafından ilk defa verilen iki burstan birini alarak yurtdışında eğitim görme fırsatı kazanmıştır. Gamma ışınlarının saçınımı ve absorpsiyonu konusunda çalışacağı Cambrigde Üniversitesi’ndeki Cavendish Laboratuvarını tercih etmiştir. Daha sonraki araştırmaları sonucunda Compton etkisini bulmuştur. X-ışınlarını kullanarak ferromanyetizmi incelemi ve bu olayın elektron spinlerinin aynı hizaya gelmesi sonucu olduğu sonucuna varmıştır, ayrıca kozmik ışınlar üzerine çalışmış ve bunların prensipte pozitif yüklü parçacıklar olduğunu keşfetmiştir.

Compton 1920’de Amerika’ya dönünce Wayman Crow tarafından Fizik profesörü ve St. Louis Washington Üniversitesinde Fizik bölüm başkanlığına getirildi. 1922’de serbest elektronlar tarafından saçılan daha uzun dalga boylu X-ray miktarını ve Plank ilişkisine dayanarak olarak gelen X-ışınlarından daha az enerjili olduklarını, aradaki enerji farkını elektronlara aktardıklarını buldu. Bu buluş “Compton Etkisi” veya “Compton Saçınımı” olarak bilinir ve elektromanyetik radyasyonun parçacık konseptini gösterir.

Compton 1923 yılında fotonları partikül gibi momentumlarından kaynaklanan X-ışını kaymasını, Einstein’ın 1905’te Nobel kazandığı foto-elektrik etkiyi açıklayan makalesini Physical Review’da yayınladı. Bu çalışmalar ilk olarak Max Plank tarafından 1900 senesinde, ışığın elementlerinin sadece ışığın frekansına bağlı olarak belli miktarda enerji taşıyabileceği şekilde kuantize edilmesi şeklinde kavramsallaştırılmıştır. Makalesinde Compton, dalga boyundaki kayma ile x-ışını saçınım açısı arasındaki matematiksel ilişkileri her x-ışını fotonunun bir elektron ile etkileşime girdiği kabulü ile türetmiştir. Makalesini deneysel verilerin aşağıda türetilmiş ilişki ile onaylandığını söyleyerek sonlandırmıştır.

Yukarıdaki formülde, λ ilk dalga boyu, λ' yansıma sonrası dalga boyu, h Plank sabiti, Me Elektron serbest kütlesi, c Işık hızı, α Saçınım açısı h⁄Mec büyüklüğü elektronun Compton dalgaboyu olarak bilinir ve 2.43×10−12 m’e eşittir. Dalgaboyu kayması sıfır (θ = 0° için) ve iki elektron için Compton Dalgaboyu (θ = 180°) arasındadır.

Bazı X-ışınlarının büyük saçınım açıları ile saçınsalar dahi dalgaboylarında kayma gösterdiklerini fark etmiştir. Bu olayın gerçekleştiği her durumda foton elektron koparmayı başaramamıştır. Bu yüzden kaymanın büyüklüğü elektronun Compton Dalgaboyu ile ilişkili değil tüm atomun Compton Dalgaboyu ile ilişkilidir ki bu 10 000 kat küçük olabilir.

Compton daha sonra “Sonuçlarımı American Physical Society’e 1923’te sunduğumda hemen en ateşli şekilde tartışılan bilimsel fikir ayrılığı olmuştu ki bu benim gördüğüm en büyüğüydü” demiştir. Işığın dalga doğası iyi bir şekilde gösterilmiştir ve ikili doğası kolayca kabul görmemiştir. Söylemektedir ki krital kafes içerisinde kırınım ışığın dalga doğası ile açıklanabilmekteydi. Compton 1927’de Nobel Fizik Ödülünü kazanmıştır. Compton ve Alfred W. Simon aynı anda hem saçınan X-ışını fotonunu hem de geri tepen elektronu gözlemleyebilecek bir metot geliştirmişlerdir. Almanya’da Walther Bothe ve Hans Geiger bağımsız olarak benzer metotlar geliştirmişlerdir.

1923 senesinde Compton Chicago Üniversitesine  önündeki 22 yılını geçireceği fizik profesörü pozisyonunda taşınmıştır. 1925’te J.J.Thomson’un ön gördüğü şekilde 130 000 volt X-ışınının periyodik cetveldeki ilk 16 elementin polarize hallerinden saçınımını göstermiştir. Harvard Üniversitesinden William Duane’in öncülüğünde Compton’un Compton etkisi üzerine yaptığı yorum yanlış olduğunu kanıtlamak için çalışmalar yapılmıştır. Duane bir seri deney yaparak Compton’un fikrini çürütmek istemiştir fakat Compton’ın haklı olduğuna dair sonuçlar elde etmiştir. 1924'te Duane durum Compton’ın dediği gibi olduğu sonucuna varmıştır.

Compton X ışınlarının tuz içerisindeki sodyum ve klorin çekirdekleri üzerindeki etkisini incelemiştir. X ışınlarını ferromanyetizmi incelemek için kullanmış ve bu etkinin elektron spinlerinin aynı hizaya gelmesi sonucu olduğunu bulmuştur. 1926’da General Electric Lamba Departmanına danışmanlık hizmeti vermeye başlamıştır. 1934’te İngiltere'ye dönmüş ve Oxford Üniversitesinde misafir profesörlük yapmıştır. Bu sırada Wembley’de bulunan General Electric Company’nin araştırma laboratuvarındaki aktiviteler ile ilgili rapor vermesini istemiştir. Orada yapılan flüoresan lambalar konusunda araştırmaların olanakları Compton’ın merakını çekmiştir. Hazırladığı rapor Amerika’da bu lambayı geliştiren araştırma programını başlatmış.

Compton’un ilk kitabı X-ışınları ve Elektronlar 1926’da basıldı. Kitabında X-ışını kırınım desenlerinden nasıl kırınım yoğunluğunun hesaplanacağını göstermiştir. Samuel K. Allison’ın yardımı ile kitabını revize etmiş ve Teoride ve Pratikte X-Işınları olarak 1935'te yayınlamıştır. Bu çalışması sonraki 30 yıl daha standart referans olarak yerini korumuştur.

1930'ların başında Compton kozmik ışınlar ile ilgilenmeye başladı. O zamanda varlıkları bilinmekte fakat kaynakları ve doğaları çok spekülatif kalmaktaydı. Varlıkları hava veya argon gazı ile dolu küresel “bomba” kapta gazın iletkenliğinin ölçülmesi ile belirlenebilmekteydi. Avrupa Hindistan, Meksika, Peru ve Avustralya’ya yaptığı geziler Compton’a farklı yükseklik ve enlemlerde kozmik ışınları ölçme fırsatı sunmuştur. Dünyanın diğer yerlerinde de ölçüm yapan gruplarla birlikte  fark edilmiştir ki kozmik ışınlar kutuplarda ekvatora göre %15 daha yoğundur. Compton bunun sebebinin kozmik ışınların, Robert Milikan’ın önerdiği fotonlardan oluşmanın aksine,kısmi olarak yüklü parçacıklardan oluştuğu sonucuna varmıştır. Enlem etkisini Dünya’nın elektromanyetik alanından dolayı olduğunu düşünmüştür.

Nisan 1941’de Vannevar Bush, Ulusal Savunma Araştırma Komitesi (NDRC) başkanı, Compton tarafından yönetilen özel bir komite oluşturup NDRC uranyum programı ile ilgili rapor vermelerini istemiştir. Mayıs 1941’de gönderilen Compton’un raporu uranyum-235 veya daha yeni keşfedilen plutonyum ile radyolojik silahlar, nükleer itme güçlü gemiler ve nükleer silahlar üretmenin mümkün olabileceğini öngörmüştür. Ekimde atom bombasının uygulanabilirliği ile ilgili bir rapor sunmuştur. Bu rapor için Enrico Fermi uranyum-235 için kritik kütle ile hesaplamalar için çalışmış ve bunun 20 kg ile 2 ton arasında olduğunu tahmin etmişlerdir. Ayrıca uranyum zenginleştirmenin başarı şansını Harold Urey ile tartışmış, nükleer reaktör içerisinde plutonyum üretiminin olabileceği ile alakalı Eugene Urey ile konuşmuş ve Robert Serber ile reaktör içerisinde üretilen plutonyumun uranyumdan ayrıştırılabileceğini tartışmıştır. Raporu kasım ayında gönderilmiştir ve raporda atom bombasının yapılabilir olduğunu fakat bombanın yıkıcı gücü konusunda Mark Oliphant ve İngiliz meslektaşlarından daha tutucu olduğunu belirtmiştir.

kadar kontrollü zincirleme reaksiyonu gerçekleştirmeyi ve haziran 1945'e kadar da bombayı üretmiş olmayı ummuştur. Problemi aşmak için plutonyum ve nükleer reaktör tasarımları üzerine Metalurji Laboratuvarında beraber çalışacak Columbia, Princeton, California, Berkeley gibi üniversitelerden gelen farklı araştırma gruplarına sahipti. Amaçları uranyumu plutonyuma çevirecek reaktörler üretmek ve plutonyumu uranyumdan kimyasal olarak ayrıştırmanın yollarını bulmak ve ayrıca tasarlayıp atom bombasını yapmaktı.

Haziran 1942’de ABD Ordu Mühendisleri Bölümü nükleer silah programını kontrolü altına almaya başladı ve Compton’un Metallurji Laboratuvarıyla Manhattan Projesinin bir parçası oldu. O ay Compton Robert Oppenheimer’a bombanın tasarlanması sorumluluğunu verdi. Metalurji Laboratuvarlarında çalışanların geliştirdiği farklı reaktör tasarımlarından birini seçip onun doğrultusunda devam etme görevi daha önce başarılı bir reaktör yapılmamış olsa da Compton’a düştü.

İşçi anlaşmazlıklarından dolayı Red Gate Woods’daki yeni evindeki Metalurji Laboratuvarlarının inşası ertelendiğinde, Compton Chicago Pile-1, ilk nükleer reaktörü Stagg Fields’da kurmaya karar verdi. Fermi’nin direktörlüğünde 2 Aralık 1942’de ilk defa çalıştırıldı. Compton Mallinckrodt’un urantum madenini saflaştırma işini üstlenmesini ve DuPont’un Oak Ridge, Tennessee’de plutonyum yarısını inşa etmesini ayarladı.

Plutonyum programında büyük kriz Temmuz 1943'te Emilio Segre’nin grubu X-10 Grafit Reaktöründe üretilen plutonyumun yüksek miktarda plutonyum-240 içerdiğini doğruladığı zaman ortaya çıktı. Bu malzemenin kendiliğinden fisyonu plutonyumun tabanca-tipi nükleer silah olarak kullanılması olasılığını ortadan kaldırıyordu. Oppenheimer’in Los Alamos Laboratuvarı bu sorunu içine patlayan tipte nükleer silah tasarımı ile aştı. Campton Eylül 1944'te ilk reaktörün çalıştırılması esnasında Hanford alanındaydı. İlk grup uranyum çubuğu Reaktör B’ye  kasım 1944’te beslendi ve Los Alamos’a plutonyum gönderilmesi Şubat 1945'te başladı. Savaş boyunca Compton bilimsel danışman ve yönetici olmaya devam etti. 1945'te Lawrance, Oppenheimer ve Fermi ile birlikte Bilimsel Panel’de Japonya’ya karşı askeri olarak nükleer silah kullanımını önerdi. Manhattan Projesindeki hizmetlerinden ötürü Liyakat Madalyası ile ödüllendirildi.

Savaşın ardından Compton Chicago Üniversitesindeki Charles H. Swift Seçkin Hizmet Fizik Profesörlüğü makamından istifa etmiş ve St.Louis Washington Üniversitesine geri dönüp üniversitenin 9. rektörü olarak göreve başlamıştır. Compton’ın rektörlüğü süresince  üniversite resmi olarak  lisans bölümlerinde ırk ayrımını sonlandırmış, ilk bayan profesörünü işe almış ve asker emeklilerinin savaştan dönmesi ile rekor sayıda öğrenci kabul etmiştir. Ünü ve ulusal bilimsel çevrelerdeki bağlantıları sayesinde üniversiteye birçok ulusal anlamda ünlenmiş bilimsel araştırmacı kazandırmıştır. Başarılarına rağmen Compton, tarihçiler tarafından ırksal ayrımı sonlandırma konusunda, Washington Üniversitesi’nin yüksek son büyük öğrenim kuruluşunun kapılarını Afrikalı Amerikalılara açmada yavaş davranmak ile suçlamışlardır.

Compton rektör olarak 1954'te emekli olmuş ve 1961’de tam zamanlı olarak emekli olana kadar Doğa Felsefesi Seçkin Hizmet Profesörlüğüne devam etmiştir. Emekliliğinde Atomic Quest adlı Manhattan Projesindeki rolünü anlatan kişisel notlarını 1956’da basmıştır.

Compton iki aşamalı özgür irade modelini öneren sayılı bilim insanları ve felsefecilerden biridir. Diğerleri William James, Henri Poincaré, Karl Popper, Henry Margenau, ve Daniel Dennett’tir. 1931’de Compton insan özgürlüğünü  kaynağı olarak kuantum belirsizliği yola çıkarak mikroskobik kuantum olaylarının makroskobik dünyaya olasılık getirdiği fikrini ortaysa atmıştır. Kendisinin, bir amfiye bağlı dinamit çubuklarının Schrödinger’in kedisi paradoksunun sonucuna bağlı olan garip mekanizmasının bulunduğu yazısı 1935’te basılmıştır.

İnsanların hareketlerinin direkt sebebinin şans olduğu fikrine karşı oluşan tepkilerden ötürü Compton iki aşamalı doğasına Atlantic Monthly’deki makalesiyle 1955’te açıklık getirmiştir.

Compton 1927’de Nobel Fizik Ödülü, 1933'te Matteucci Altın Madalyası ve 1940'ta Franklin Enstitüsü’nün Benjamin Franklin Madalyası gibi hayatı boyunca birçok ödül almıştır. Adı birçok farklı biçimde anılmıştır. Aydaki Compton krateri kardeşi Karl ve kendisinin adını taşır.

St Louis Washington Üniversitesinin fizik araştırma binası onun adını taşır. Compton daha uzun, nazik ve kademeli bir hız tümseği bulmuş ve bunun adını “Holly hump” koymuştur. Bu tümsek Washington Üniversitesi kampüsünde birçok yerde kullanılmıştır.