Артур Комптон

Биография

Американский физик Артур Холли Комптон родился в Вустере (штат Огайо). Его родителями были Элиас Комптон, пресвитерианский священник, профессор философии и декан Вустерского колледжа, и Отелия Кэтрин (Огспургер) Комптон. Развиваясь в атмосфере интеллигентной семьи, Артур рано проявил интерес к естественным наукам, собирая бабочек, изучая палеонтологию и читая книги по астрономии. Закончив Вустерский колледж в 1913 г. со степенью бакалавра, он стал аспирантом-физиком Принстонского университета и получил степень магистра в 1914 г. Два года спустя он стал доктором, написав диссертацию о взаимодействии рентгеновских лучей с веществом.

К. проработал год преподавателем физики в Миннесотском университете, а затем служил два года инженером-исследователем в Питсбурге в «Вестингауз лэмп компани». Здесь он занимался разработкой и конструированием лампы, содержащей пары натрия, а после того, как Соединенные Штаты вступили в первую мировую войну, помогал создавать авиационные приборы для войск связи. Во время работы в компании «Вестингауз» он продолжал изучение рентгеновских лучей, что впоследствии привело его к открытию эффекта, названного его именем.

Увлеченный чистой наукой, К. в 1919 г. принял стипендию от Национального исследовательского совета и провел год в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Это было волнующее время: К. стал свидетелем первых экспериментов Эрнеста Резерфорда по расщеплению атома, что он позднее назвал решающим обстоятельством в своей научной жизни. Поскольку в Кавендишской лаборатории не было высоковольтной рентгеновской установки, К. изучал рассеяние и поглощение гамма-лучей, которые представляют собой высокоэнергетическое рентгеновское излучение, испускаемое радиоактивными ядрами. Он заметил, что рассеянное излучение легче поглощается веществом, чем первичное излучение (излучение, которым бомбардируется мишень), но ни он, ни его коллеги по Кембриджу не могли объяснить это явление с помощью законов классической физики.

В течение первых двух десятилетий XX в. физики постепенно приходили к пониманию того, что классическая физика не в состоянии объяснить события, происходящие на атомном или внутриатомном уровне. Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Нильс Бор и другие развили новую теорию для объяснения некоторых внутриатомных явлений, основанную на радикальном допущении, что энергия квантуется, т.е. что энергия может передаваться только дискретными порциями, или квантами. Квантовая теория оказалась весьма полезной для объяснения ранее казавшихся таинственными явлений, и она позволила Бору построить самую убедительную из всех предложенных моделей атома. Однако в своей первоначальной форме квантовая теория не могла справиться с анализом более общих проблем, и большинство физиков не были убеждены в ее фундаментальном значении. Между 1910 и 1920 гг. К. вместе с другими физиками, изучавшими взаимодействие материи и энергии, продолжали искать классические объяснения своим экспериментальным результатам.

Вернувшись в 1920 г. в Соединенные Штаты, К. возглавил физический факультет Вашингтонского университета в Сент-Луисе (штат Миссури), где он выполнил свои самые знаменитые эксперименты. С помощью рентгеновского спектрометра У.Г. Брэгга он произвел точные измерения длины волны рентгеновских лучей, рассеянных на мишени. К. обнаружил, что рассеянное излучение бывает двух сортов: у одного длина волны совпадает с длиной волны первичного излучения, а другое обладает большей длиной волны. Увеличение длины волны, которое стало известно как эффект Комптона, было пропорционально углу рассеяния. И вновь результаты К. не поддавались объяснению в рамках классической физики, однако на сей раз он сделал решительный шаг, обратившись к квантовой теории. Он обнаружил, что увеличение длины волны можно объяснить, рассматривая рентгеновские лучи как частицы со значениями энергии и импульса, предсказанными квантовой теорией. Рентгеновский луч – «частица энергии», или квант, – соударяясь с электроном мишени, отдает электрону часть своей энергии; следовательно, после соударения частица обладает меньшей энергией, что соответствует меньшей частоте – или большей длине волны – излучения. Новое открытие К. согласовалось с его более ранним открытием, где речь шла о том, что рассеянные гамма-лучи легче поглощаются веществом, чем первичные гамма-лучи; низкоэнергетическое (с большей длиной волны) излучение легче поглощается, чем высокоэнергетическое (с более короткой длиной волны).

Поскольку свет, подобно рентгеновским лучам, представляет собой разновидность электромагнитного излучения, эффект Комптона явился сильным доводом в поддержку выдвинутого в 1905 г. Эйнштейном предположения о том, что свет обладает свойствами не только волны, но и частицы. Корпускулярные свойства электромагнитного излучения проявлялись при взаимодействии первичных рентгеновских лучей с электронами, тогда как волновые свойства обнаруживались при детектировании рассеянных лучей – действие спектрометра можно объяснить, только рассматривая рентгеновские лучи как волны.

К. опубликовал свои результаты в 1923 г., и в том же году он стал профессором Чикагского университета. Он выдвинул предположение, что в результате рассеяния рентгеновских лучей электроны, на которых происходило это рассеяние, вылетают из атомов с большой скоростью. Такие электроны отдачи, как их называл К., были обнаружены и экспериментально проверены позднее в этом же году Ч.Т.Р. Вильсоном, чье изобретение конденсационной камеры позволило наблюдать треки электрически заряженных частиц.

Результаты К. вызвали оживление среди физиков, но его квантовая интерпретация была принята не сразу, поскольку она противоречила идеям Дж.Дж. Томпсона. Американский физик Уильям Дуэн возражал против теории К. и попытался показать, что данные К. могли быть связаны с иными эффектами. К., Дуэн и другие физики провели дополнительные эксперименты, и в 1924 г. Дуэн снял свои возражения, убедившись, что его собственные измерения превосходно согласуются с теорией К. Признание эффекта Комптона явилось важным стимулом для развития квантовой механики, сложной математической трактовки квантовой теории с глубокими и далеко идущими приложениями к физике и химии.

В 20-е гг. К. провел и другие важные исследования рентгеновских лучей. Например, в 1922 г. он показал, что рентгеновские лучи могут полностью отражаться от гладких поверхностей, таких, как стекло или металл, демонстрируя тем самым, что рентгеновские лучи ведут себя аналогично свету. В 1925 г. К. вместе с коллегами получил этот эффект, используя дифракционную решетку спектрометра, которая позволила разделить рассеянные рентгеновские лучи по компонентам с соответствующими длинами волн. Их работа заложила основы изучения рентгеновских лучей как ветви оптики, и одно это принесло бы К. репутацию выдающегося ученого.

К. получил в 1927 г. Нобелевскую премию по физике «за открытие эффекта, названного его именем». Он разделил награду с Ч.Т.Р. Вильсоном. Представляя лауреатов, Кай Сигбан из Шведской королевской академии наук отметил, что эффект Комптона «ныне настолько важен, что в будущем ни одна атомная теория не может быть принята, если она не согласуется с ним и не следует законам, установленным его первооткрывателем».

После получения премии К. занялся разработкой способов экспериментального исследования распределения электронов в атомах. Вместе с измерением энергии рентгеновских лучей Каем Сигбаном эта работа легла в основу последующих теорий строения атома. Экспериментальные исследования К. внесли также вклад в понимание магнитных свойств ферромагнитных материалов, таких, как железо.

В начале 30-х гг. К. заинтересовался космическими лучами (излучением, падающим на землю из космического пространства), поскольку взаимодействие гамма-лучей и электронов в космических лучах дает важный пример эффекта Комптона. Между 1931 и 1933 гг. он возглавлял экспедиции во многие части света, чтобы получить данные, касающиеся космических лучей. На основании этой информации он подтвердил полученные еще в 20-х гг. выводы Джекоба Клея об изменении интенсивности космических лучей в зависимости от географической широты. К. правильно объяснил такое изменение, показав, что вопреки преобладающему мнению космические лучи испытывают влияние магнитного поля Земли и состоят, по крайней мере частично, из заряженных частиц.

В 1941 г. К. возглавил физический факультет и стал деканом отделения физических наук Чикагского университета. В этом же году он возглавил комитет Национальной академии наук, созданный с целью изучения возможного использования атомной энергии в военных целях. Благоприятный отзыв этой группы привел к утверждению Манхэттенского проекта. С 1942 по 1945 г. К. был директором одного из подразделений этого проекта, известного как металлургическая лаборатория Чикагского университета. Здесь под руководством Энрико Ферми был построен первый ядерный реактор. Позднее К. руководил строительством Ок-Риджской национальной лаборатории в штате Теннесси, которая должна была заниматься отделением урана-235 от более распространенного урана-238.

Когда К. предложили в 1945 г. возглавить Вашингтонский университет, он решил принять предложение и покинуть Чикаго, хотя новый пост и означал для него конец исследовательской работы. Уйдя с поста главы университета в 1954 г., он остался почетным профессором физики Вашингтонского университета. С этого поста он ушел в 1961 г., предполагая делить свое время между Вашингтонским университетом, Вустерским колледжем и Калифорнийским университетом в Беркли.

В 1916 г. К. женился на Бетти Чарити Мак-Клоски, у них было двое сыновей. Всю жизнь жена была его верным помощником в работе, а во время второй мировой войны она по его настоянию даже получила допуск к секретной работе наравне с ним. Человек яркий и незаурядный, К. был способен зажечь энтузиазм в своих учениках и соратниках. Искренне религиозный, он возглавлял Лейменское миссионерское движение с 1934 по 1948 г. и активно участвовал в работе Национальной конференции христиан и иудеев. Он умер от кровоизлияния в мозг 15 марта 1962 г. в Беркли (Калифорния).

Среди многочисленных наград К. можно указать медаль Румфорда Американской академии наук и искусств (1927 г.), медаль Хьюгса Лондонского королевского общества (1940 г.), медаль Франклина Франклиновского института (1940 г.) и медаль «За заслуги» правительства Соединенных Штатов (1946 г.). Он получил почетные степени многих университетов, включая Йельский, Принстонский и Гарвардский. К. был членом Американской ассоциации содействия развитию науки, Американского философского общества, Американского физического общества, Национальной академии наук США и Нью-Йоркской академии наук, а также членом более 20 иностранных научных обществ.