Arthur Compton (1892-1962)
Ο ερμηνευτής της σκέδασης των ακτίνων-Χ

Άρθρο, Οκτώβριος 2002

Ο Αμερικανός φυσικός Arthur Compton ανακάλυψε και ερμήνευσε το φαινόμενο της μεταβολής του μήκους κύματος των ακτίνων-Χ, όταν αυτές σκεδάζονται από ηλεκτρόνια. Η βαθύτερη σημασία του φαινομένου αυτού, που φέρει το όνομα του, είναι ότι τα φωτόνια των ακτίνων-Χ φέρουν κβαντισμένη ορμή.

Στο πείραμα του (1923) έδειξε ότι η σκέδαση γινόταν ως οι ακτίνες-Χ να ήταν σωματίδια ενέργειας Ε=hf και ορμής p=E/c. Χρησιμοποίησε δε για την εξήγηση του φαινομένου την διατήρηση της ενέργειας  και της ορμής για το σύστημα ηλεκτρονίου - φωτονίου.

Η ανακάλυψη του επιβεβαίωσε για άλλη μια φορά τη διττή φύση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και γι' αυτό το πείραμα του θεωρείται από τα σπουδαιότερα στην ιστορία της Φυσικής.

Η ζωή του

Ο Arthur Compton γεννήθηκε στο Wooster του Οχάιο στις 10 Σεπτεμβρίου του 1892 και ήταν γιος του Elias Compton, καθηγητή της φιλοσοφίας και κοσμήτορα του κολεγίου του Wooster. Εκπαιδεύτηκε σε αυτό το κολέγιο, που πήρε Bachelor στην επιστήμης το 1913, και ξόδεψε τρία έτη στη μεταπτυχιακή μελέτη στο Πανεπιστήμιο Princeton λαμβάνοντας Μάστερ το 1914 και Διδακτορικό το 1916.

Μάλιστα όταν ο Compton αποφοίτησε από το κολέγιο ήθελε να ακολουθήσει θρησκευτική σταδιοδρομία. Αλλά ο πατέρας του τον συμβούλεψε ότι όφειλε να πάει στον επιστημονικό κλάδο, λέγοντας του: "Η εργασία σου σε αυτό το πεδίο μπορεί να γίνει πιο πολύτιμη χριστιανική υπηρεσία από ό,τι εάν επρόκειτο να δουλέψεις σε κανένα υπουργείο ή να γίνεις ιεραπόστολος". Τέτοιες σκέψεις βοήθησαν τον Compton να συμφιλιώσει σε όλη τη ζωή του τις δύο κύριες επιρροές από την ανατροφή του, την αφοσίωση του στη θρησκεία και τη διανοητική εργασία του. Ο πατέρας του και ο μεγαλύτερος αδελφός του φυσικός Karl, και πολύ καλός φίλος του συνάμα, του εμφύσησαν την αγάπη για την επιστήμη. Μάλιστα ο Karl έγινε και Πρόεδρος του MIT.

Όταν αποφοίτησε, το 1916 παντρεύτηκε μία συμμαθήτρια του από το κολέγιο του Wooster, την Betty McCloskey, η οποία έγινε μια ικανή και ενθουσιώδης συνεργάτης του στις ύστερες δραστηριότητές του.

Πέρασε ένα έτος ως εκπαιδευτικός της φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότας και τα πειράματα που άρχισαν εδώ τελικά οδήγησαν τον Compton στο να δηλώσει ότι η μαγνήτιση ενός υλικού εξαρτάται όχι από τις τροχιές των ηλεκτρονίων μέσα σε αυτό, αλλά από τα στοιχειώδη χαρακτηριστικά των ιδίων των ηλεκτρονίων και ήταν ο πρώτος που πρότεινε την ύπαρξη της κβαντοποιημένη ιδιοπεριστροφής (spin) των ηλεκτρονίων.

Ακολούθως πήρε μια θέση ως ερευνητής μηχανικός στην επιχείρηση Westinghouse στο Πίτσμπουργκ μέχρι το 1919, και ύστερα πήγε στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ ως Εθνικός Συνεργάτης του Ερευνητικού Συμβουλίου.

Την εποχή αυτή τουλάχιστον το 10% των επιστημόνων της Αμερικανικής Εταιρείας Φυσικής δούλευε στην βιομηχανία. Στην Westinghouse, που πήγε το 1917, συνετέλεσε στο να ανακαλυφθεί ο λαμπτήρας φθορισμού.

Το 1919 στον Compton απονεμήθηκε μία από τις πρώτες υποτροφίες του National Research Council και αυτός επέλεξε να μελετήσει τις ακτίνες-X, στο εργαστήριο Cavendish στην Αγγλία. Αλλά οι συσκευές των ακτίνων X  ήταν εκεί ανεπαρκείς, έτσι εργάστηκε στα συγγενή προβλήματα με τις ακτίνες γάμμα. Έλεγξε αποφασιστικά τις προηγούμενες μελέτες από άλλους, που έδειχναν μυστήριες  μεταβολές ς του μήκους κύματος με τη σκεδαζόμενη γωνία.

Το 1920, διορίστηκε καθηγητής της φυσικής και επικεφαλής του τμήματος Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο St. Louis. Το 1923 μετακινήθηκε στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου ως καθηγητής της φυσικής και το 1945 ο Compton επέστρεψε στο St. Louis ως κοσμήτορας. Όμως από το 1954 μέχρι την αποχώρησή του, το 1961, ήταν διακεκριμένος καθηγητής της Φυσικής Φιλοσοφίας στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον.

Στην πρώτη περίοδο του στο Princeton, ο Compton επινόησε μια κομψή μέθοδο για να επιδείξει τη γήινη περιστροφή, αλλά σύντομα άρχισε τις μελέτες του στον τομέα των ακτίνων-X. Ανέπτυξε μια θεωρία για τη μελέτη της έντασης των ανακλώμενων ακτίνων-X από τους κρυστάλλους ως μέσο μελέτης της διευθέτησης των ηλεκτρονίων και των ατόμων μέσα σε αυτούς, και το 1918 άρχισε μια μελέτη της σκέδασης των ακτίνων X.

Από την παιδική του ηλικία κατείχε μεγάλη αυτοπεποίθηση, χειρωνακτική ικανότητα, ευστροφία και υπομονή. Όλα αυτά συνδυαζόμενα τον βοήθησαν να τελειοποιήσει τις συσκευές του και να μετρήσει τη μετατόπιση του μήκους κύματος σε συνάρτηση με τη σκεδαζόμενη γωνίας.

Αυτό τον οδήγησε, το 1922, στην ανακάλυψή της αύξησης του μήκους κύματος των ακτίνων X, που οφειλόταν στη σκέδαση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μετάλλου, κάτι που υπονοούσε ότι τα σκεδαζόμενα κβάντα έχουν λιγότερη ενέργεια από τα κβάντα της αρχικής - προσπίπτουσας - ακτίνας. Αυτό το φαινόμενο, που είναι γνωστό σήμερα ως φαινόμενο Compton  και που επεξηγεί σαφώς τη σωματιδιακή φύση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, τεκμηριώθηκε κατόπιν από τον Wilson ο οποίος στο θάλαμο νέφους του, μπόρεσε να εμφανίσει την παρουσία των τροχιών των ηλεκτρονίων ανάκρουσης. Στο θάλαμο αυτό γίνεται ορατή η τροχιά των φορτισμένων σωματιδίων μέσω της υγροποίησης των ατμών.

Μελετώντας αυτό το αποτέλεσμα, απέβαλε έγκαιρα διάφορες προσπάθειες για να εξηγηθεί με την κλασσική φυσική. Στα τέλη του 1922 κατάλαβε ότι η απάντηση κρυβόταν τόσο στην ειδική σχετικότητα όσο και στην κβαντική μηχανική. Και οι δύο θεωρίες είχαν τότε χρησιμοποιηθεί για λίγο και λίγοι τις καταλάβαιναν.

Μια άλλη απόδειξη της πραγματικότητας αυτού του φαινομένου δόθηκε από τη μέθοδο σύμπτωσης (που αναπτύχθηκε από τους Compton και A.W. Simon, και ανεξάρτητα στη Γερμανία από τους Bothe και Geiger), από την οποία θα μπορούσε να αναγνωριστεί ότι τα μεμονωμένα σκεδαζόμενα φωτόνια των ακτίνων X  και τα ηλεκτρόνια ανάκρουσης εμφανίζονται στην ίδια στιγμή, ερχόμενος σε αντίθεση με τις απόψεις, που αναπτύχθηκαν κατόπιν από μερικούς ερευνητές σε μία προσπάθεια να συμφιλιωθούν οι κβαντικές απόψεις με τα συνεχή κύματα της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας. Για αυτήν την ανακάλυψη, στον Compton απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για το 1927 (που το μοιράσθηκε με τον Wilson που έλαβε το βραβείο για την ανακάλυψή της μεθόδου του θαλάμου νέφους ή Wilson όπως το ξέρουμε σήμερα).

Επιπλέον, Compton ανακάλυψε (με τον C. Hagenow) το φαινόμενο της συνολικής ανάκλασης των ακτίνων X και της πλήρους πόλωσής τους, οι οποίες τον οδήγησαν σε έναν ακριβέστερο προσδιορισμό του αριθμού ηλεκτρονίων σε ένα άτομο.

 Ήταν επίσης ο πρώτος (με τον R. Doan) που έλαβε τα φάσματα των ακτίνων X με κανονικές δικτυωτές δομές, που προσφέρουν μια άμεση μέθοδο για την εύρεση του μήκους κύματος των ακτίνων-X. Με τη σύγκριση αυτών των μηκών κυμάτων λ από τα φάσματα, με εκείνα τα μήκη που λαμβάνονται με τη χρησιμοποίηση ενός κρυστάλλου, μπορεί να καθοριστεί πλήρως το διάστημα που χωρίζει τα κρυσταλλικά επίπεδα ενός υλικού. Ο αριθμός του Avogadro, που βρέθηκε από το συνδυασμό της ανωτέρω τιμής με τη μετρημένη πυκνότητα του κρυστάλλου, οδήγησε σε μια νέα τιμή για το ηλεκτρονικό φορτίο. Αυτό το πείραμα ανάγκασε την αναθεώρηση της τιμής που βρήκε ο Millikan από 4,774 σε 4,803.10 ^-10 e.s.u. (που σημαίνει ότι έγιναν συστηματικά σφάλματα στη μέτρηση του ιξώδους του αέρα, μια ποσότητα που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα της σταγόνας του λαδιού του Millikan).

Κατά τη διάρκεια του 1930-1940, ο Compton ήταν επικεφαλής μιας παγκόσμιας μελέτης για τις μεταβολές της έντασης των κοσμικών ακτίνων ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος, και με αυτόν τον τρόπο επιβεβαιώθηκαν πλήρως οι παρατηρήσεις που έγιναν το 1927 από τον J. Clay στο Άμστερνταμ, ότι επηρεάζει το γεωγραφικό πλάτος την ένταση των κοσμικών ακτίνων. Μπόρεσε, εντούτοις, να δείξει ότι η ένταση συσχετίστηκε με το γεωμαγνητικό παρά με το γεωγραφικό πλάτος. Αυτό προκάλεσε εκτενείς μελέτες της αλληλεπίδρασης του γήινου μαγνητικού πεδίου με το εισερχόμενο ισοτροπικό ρεύμα των αρχικών φορτισμένων σωματιδίων.

Ο Compton έχει γράψει πολλές επιστημονικές μελέτες και είναι ο συγγραφέας του έργου των Δευτερογενών Ακτινοβολιών που παράγονται από τις ακτίνες X (1922), ακτίνες-X και ηλεκτρόνια (1926, δεύτερη έκδοση 1928), οι ακτίνες-X στη θεωρία και το πείραμα (με τον S. K. Allison, 1935, αυτό το έργο είναι η αναθεωρημένη έκδοση των ακτίνων-X και ηλεκτρονίων ), η  Ελευθερία του ατόμου (1935, τρίτη έκδοση 1939), Μαζί στο Κολέγιο (με άλλους, 1940), και την Ανθρώπινη Έννοια της Επιστήμης (1940).

Στον Compton απονεμήθηκαν πολυάριθμες τιμητικές διακρίσεις και άλλα βραβεία συμπεριλαμβανομένου του χρυσού μεταλλίου Rumford ( από την Αμερικανική Ακαδημία των Τεχνών και των Επιστημών ), το Χρυσό μετάλλιο της ραδιολογικής εταιρείας της Βόρειας Αμερικής (1927), το Μετάλλιο Hughes Medal (Βασιλική Εταιρεία 1928)  και το βραβείο Franklin το 1940.

Έγινε Πρόεδρος της Αμερικανικής Εταιρείας Φυσικής (1934), της Αμερικανικής Ένωσης των Εργαζομένων Επιστημόνων (1939-1940), και της Αμερικανικής Ένωσης για την πρόοδο της επιστήμης (1942).

Το 1941 ο Compton διορίστηκε Πρόεδρος της Εθνικής Ακαδημίας της Επιτροπής Επιστημών για να αξιολογήσει τη χρήση της ατομικής ενέργειας στον πόλεμο. Οι έρευνές του, που πραγματοποιήθηκαν σε συνεργασία με τον Fermi , Szilard, Wigner και άλλους, οδήγησαν στην καθιέρωση των πρώτων αντιδραστήρων ελεγχόμενης διάσπασης του ουράνιου, και, τελικά, στους μεγάλους αντιδραστήρες παραγωγής πλουτωνίου στο Hanford, της Ουάσιγκτον, που παρήγαγε το πλουτώνιο για τη βόμβα του Ναγκασάκι, τον Αύγουστο του 1945.

Διαδραμάτισε επίσης έναν ρόλο στην κυβερνητική απόφαση να χρησιμοποιηθεί η βόμβα. Ένας προσωπικός απολογισμός αυτών των θεμάτων μπορεί να βρεθεί στο βιβλίο του, μια Ατομική Αναζήτηση - ένα προσωπικό αφήγημα , του 1956.

Στο τέλος της ζωής του αφιερώθηκε στα ζητήματα των κοινωνικών επιπτώσεων της επιστήμης και της τεχνολογίας.

Πέθανε στις 15 Μαρτίου του 1962, στο Μπέρκλεϋ της Καλιφόρνιας.