Arthur Compton

Erken yaşamı

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 meazun 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.
Arthur Compton doktorasını 1916 senesinde
doktorasını aldıktan sonra Karl ve Wilson ile beraber ilk defa 3 kardeş olarak
Princeton’dan mezun olan kişiler oldular. Ablaları Mary , misyoner C. Herbert
Rice ile evlenip Lahore’dakki Forman Christi an College’da müdür oldu. Haziran
1916’da Wooster’dan sınıf arkadaşı Compton Betty Charity McColaskey ile
evlendi. Arthur Alan ve John Joseph Compton adında iki çocukları oldu
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 enstrumanları 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.
Bir süre Compton Vaftiz Kilisesinde papaz
yardımcılığı yaptı. “Bilim insanların Tanrı’nın çocuğu olduğu postulasını
ortaya atan din ile tartışamaz” demiştir.

Compton Etkisi

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 avramsallaştırılmıştır. Makalesinde Compton, dalgaboyundaki kayma ile x-ışını saçınım açısı arasındaki matematiksel ilişkileri her x-ışını fotonunun bir elektron ile etkileşime girdiği kabulü ile türetmişdir. Makalesini deneysel verilerin aşağıda türetilmiş ilişki ile onaylandığını söyleyerek sonlandırmıştır
Yukarıdaki formulde, 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 farketmiştir. 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.

X-ışınları

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 ingiltereye 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.

Kozmik ışınlar

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.

Manhattan Projesi

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 ayrıştılıabileceğini tartışmıştır. Raporu kasım
oyunda gönderilmiştir ve raporda atom bombasının yapılabilir olduğunu fakat
bombanın yıkıcı gücü konusunda Mark Oliphant ve İngiliz meslektaşlarından daha
tutucu olduğunu belirtmiştir.
Compton’ın
kasım ayında hazırladığı raporun son halinde plutonyumun kullanılması ile
ilgili bir kısım bulunmamaktadır fakar Ernest Lawrance’ın son araştırmalarından
sonra Compton plutonyum bombasının da yapılabilir olacağı konusunda ikna olmuştur.
Aralık ayında Compton plutonyum projesinin başına getirilmiştir. Haziran 1943'e
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
anlaşmaslıklarından 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.

Washington Üniversitesi'ne dönüş

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 devaqm etmiştir.
Emekliliğinde Atomic Quest adlı Manhattan Projesindeki rolünü anlatan kişisel
notlarını 1956’da basmıştır.

Felsefe

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.
Önce rastgele olası
olay bulunur, ardından kişi seçme işlemi için belirleme faktörünü ekler.

Ölümü ve Mirası

Compton Berkeley
Californiya’da 15 Mart 1962’de beyin kanaması sonucu ölmüştür.Wooster Ohio’daki
Wooster Mezarlığına eşi ve çocukları hayattayken defnedilmiştir.
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.