Les avantages de la science ne sont pas seulement matériels. Les vérités que la science enseigne sont d'intérêt commun dans le monde entier. Le langage de la science est universel et est une force puissante pour rapprocher les peuples du monde.
Arthur Holly Compton 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 du Laboratoire de métallurgie du Projet Manhattan à l'Université de Chicago, et a été chancelier de l'Université Washington de Saint-Louis de 1945 à 1953.
En 1919, Compton a reçu l'une des deux premières bourses du Conseil national de la recherche qui permettaient 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. Des recherches supplémentaires dans cette direction ont conduit à la découverte de l'effet Compton. Il a utilisé les rayons X pour enquêter sur le ferromagnétisme, en concluant que c'était le résultat de l'alignement des spins des électrons, et a étudié les rayons cosmiques, découvrant qu'ils étaient composés principalement de particules positivement chargées.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, Compton a été une figure clé du Projet Manhattan qui a développé les premières armes nucléaires. Ses rapports ont été importants pour lancer le projet. En 1942, il est devenu chef du Laboratoire de métallurgie, avec la responsabilité 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 de métallurgie était également responsable de la conception et de l'exploitation du réacteur graphite X-10 à Oak Ridge, Tennessee. La production de plutonium a commencé dans les réacteurs du site de Hanford en 1945.
Après la guerre, Compton est devenu chancelier de l'Université Washington de Saint-Louis. Pendant son mandat, l'université a formellement intégré ses divisions de premier cycle, nommé sa première femme professeur titulaire, et a accueilli un nombre record d'étudiants après le retour des anciens combattants de la Seconde Guerre mondiale aux États-Unis.
Jeunesse
Arthur Compton est né le 10 septembre 1892 à Wooster, Ohio, fils d'Elias et d'Otelia Catherine née Augspurger Compton, qui a été nommée Mère américaine de l'année en 1939. Ils étaient une famille académique. Elias était doyen de l'Université de Wooster, devenue plus tard le College of Wooster, que Arthur a également fréquenté. 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 de Princeton en 1916 et a été président de la State College of Washington, devenue plus tard Washington State University de 1944 à 1951. Les trois frères étaient membres de la fraternité Alpha Tau Omega.
Compton s'intéressait initialement à l'astronomie et a pris une photographie de la comète de Halley en 1910. Vers 1913, il a décrit une expérience où l'examen du mouvement de l'eau dans un tube circulaire a démontré la rotation de la terre. Cette année-là, il a obtenu son diplôme de licence ès sciences de Wooster et est entré à Princeton, où il a reçu son diplôme de maîtrise ès arts en 1914. Compton a ensuite étudié pour son doctorat en physique sous la supervision d'Hereward L. Cooke, écrivant sa dissertation sur L'intensité de la réflexion des rayons X et la distribution des électrons dans les atomes.
Lorsqu'Arthur Compton a obtenu son doctorat en 1916, lui, Karl et Wilson sont devenus le premier groupe de trois frères à obtenir des doctorats de Princeton. Plus tard, ils deviendraient le premier tel trio à diriger simultanément des collèges américains. Leur sœur Mary a épousé un missionnaire, C. Herbert Rice, qui est devenu principal du Forman Christian College à Lahore. En juin 1916, Compton a épousé Betty Charity McCloskey, une camarade de classe de Wooster et condisciple. Ils avaient deux fils, Arthur Alan Compton et John Joseph Compton.
Compton a passé un an comme instructeur en physique à l'Université du Minnesota en 1916-17, puis deux ans comme ingénieur de recherche à la Westinghouse Lamp Company à Pittsburgh, où il a travaillé au développement de la lampe à vapeur de sodium. Pendant la Première Guerre mondiale, il a développé une instrumentation aéronautique pour le Signal Corps.
En 1919, Compton a reçu l'une des deux premières bourses du Conseil national de la recherche qui permettaient 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 originale. Compton a été très impressionné par les scientifiques du Cavendish, en particulier Ernest Rutherford, Charles Galton Darwin et Arthur Eddington, et il a finalement nommé son deuxième fils d'après J. J. Thomson.
Pendant un certain temps, Compton a été diacre à une église baptiste. « La science ne peut avoir aucune querelle », a-t-il dit, « avec une religion qui postule un Dieu dont les hommes sont comme ses enfants. »
Carrière
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 Washington de Saint-Louis en 1920. En 1922, il a découvert que les quanta de rayons X diffusés par les électrons libres avaient des longueurs d'onde plus longues et, conformément à la relation de Planck, moins d'énergie que les rayons X entrants, l'énergie excédentaire ayant été transférée aux électrons. Cette découverte, connue sous le nom d'« effet Compton » ou « diffusion Compton », a démontré le concept particulaire du rayonnement électromagnétique.
En 1923, Compton a publié un article dans le Physical Review qui expliquait le décalage des rayons X en attribuant une impulsion de type particulaire aux photons, quelque chose qu'Einstein avait invoqué pour son explication du prix Nobel de 1905 de l'effet photoélectrique. 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 longueur d'onde et l'angle de diffusion des rayons X en supposant que chaque photon de rayon X diffusé interagissait avec un seul électron. Son article conclut en signalant des expériences qui ont vérifié sa relation dérivée :
La quantité h⁄mec est connue sous le nom de longueur d'onde Compton de l'électron ; elle est égale à 2,43×10−12 m. Le décalage de longueur d'onde λ′ − λ se situe 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 n'ont subi aucun décalage de longueur d'onde malgré une diffusion sous des angles importants ; dans chacun de ces cas, le photon n'a pas réussi à éjecter un électron. Ainsi, l'ampleur du décalage ne s'explique pas par la longueur d'onde Compton de l'électron, mais par 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 la Société américaine de physique en 1923 », a rappelé Compton plus tard, « cela a initié 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 nature duelle n'était pas facilement acceptée. Il était particulièrement révélateur que la diffraction dans un réseau cristallin ne pouvait être expliquée qu'en référence à sa nature ondulatoire. Cela lui a valu le prix Nobel de physique en 1927. Compton et Alfred W. Simon ont développé la méthode pour observer simultanément les photons de rayons X individuels diffusés et les électrons de recul. En Allemagne, Walther Bothe et Hans Geiger ont indépendamment développé une méthode similaire.
Rayons X
En 1923, Compton a déménagé à l'Université de Chicago en tant que professeur de physique, poste qu'il occuperait 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 - l'hydrogène au soufre - étaient polarisés, un résultat prédit par J. J. Thomson. William Duane de l'Université Harvard a mené un effort pour prouver que l'interprétation de l'effet Compton par Compton était fausse. Duane a mené une série d'expériences pour réfuter Compton, mais a plutôt trouvé des preuves que Compton avait raison. En 1924, Duane a concédé que c'était le cas.
Compton a enquêté sur l'effet des rayons X sur les noyaux de sodium et de chlore dans le sel. Il a utilisé les rayons X pour enquêter sur le ferromagnétisme, en concluant que c'était le résultat de l'alignement des spins des électrons. En 1926, il est devenu consultant pour le Lamp Department chez General Electric. En 1934, il est retourné en Angleterre comme professeur visiteur Eastman à l'Université d'Oxford. Pendant ce temps, General Electric lui a demandé de faire un rapport sur les activités au laboratoire de recherche de General Electric Company plc à Wembley. Compton a été intrigué par les possibilités de la recherche là-bas sur les lampes fluorescentes. Son rapport a incité à 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 des matériaux diffractants à partir de leurs motifs 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. Cette œuvre est restée une référence standard pour les trois décennies suivantes.
Rayons cosmiques
Au début des années 1930, Compton s'était intéressé aux rayons cosmiques. À l'époque, leur existence était connue mais leur origine et leur nature restaient spéculatives. Leur présence pouvait être détectée à l'aide d'une « bombe » sphérique contenant de l'air comprimé ou du gaz argon et mesurant sa conductivité électrique. Les voyages en Europe, en Inde, au Mexique, au Pérou et en Australie ont donné à Compton l'occasion de mesurer les rayons cosmiques à différentes altitudes et latitudes. Avec d'autres groupes qui ont fait des observations dans le monde entier, 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 étant composés 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
En avril 1941, Vannevar Bush, chef du Comité national de la recherche pour la défense en temps de guerre (NDRC), a créé un comité spécial dirigé par Compton pour faire rapport sur le programme uranium du NDRC. Le rapport de Compton, soumis en mai 1941, envisageait les perspectives de développement des armes radiologiques, de la propulsion nucléaire pour les navires et des armes nucléaires utilisant l'uranium-235 ou le plutonium nouvellement découvert. En octobre, il a rédigé un autre rapport sur la praticabilité d'une bombe atomique. Pour ce rapport, il a travaillé avec Enrico Fermi sur des calculs de la masse critique de l'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, parlé avec Eugene Wigner de la façon dont le plutonium pourrait être produit dans un réacteur nucléaire, et avec Robert Serber de la façon dont le plutonium produit dans un réacteur pourrait être séparé de l'uranium. Son rapport, soumis en novembre, déclarait qu'une bombe était réalisable, bien qu'il soit plus conservateur quant à sa puissance destructrice que Mark Oliphant et ses collègues britanniques.
Le projet final du rapport de Compton de novembre ne faisait aucune mention de l'utilisation du plutonium, mais après avoir discuté des dernières recherches avec Ernest Lawrence, Compton s'est convaincu qu'une bombe au plutonium était également réalisable. En décembre, Compton a été placé à la tête du projet plutonium. Il espérait réaliser une réaction en chaîne contrôlée d'ici janvier 1943, et avoir une bombe d'ici janvier 1945. Pour aborder le problème, il a regroupé les différents groupes de recherche travaillant sur le plutonium et la conception des réacteurs nucléaires à l'Université Columbia, l'Université de Princeton et l'Université de Californie, Berkeley, ensemble comme le Laboratoire de métallurgie 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 de 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 de métallurgie de Compton est devenu une partie du Projet Manhattan. Ce mois-là, Compton a donné à Robert Oppenheimer la responsabilité de la conception de la bombe. Il appartenait à Compton de décider lequel des différents types de conceptions de réacteurs que les scientifiques du Laboratoire de métallurgie avaient mis au point devrait être poursuivi, même
