Фрэнк Гарольд Спеддинг: Химиялық зерттеулер және атомдық жобаға үлесі

Кіріспе

Канадалық-американдық химик (1902–1984)

Франк Гарольд Спединг (22 қазан 1902 – 15 желтоқсан 1984) – канадалық-американдық химик. Ол сирек кездесетін жер элементтері және минералдардан металл алу саласындағы белгілі маман болды. Оның уранды өндіру процесі Манхэттен жобасына алғашқы атом бомбаларын жасауға көмектесті. Мичиган университеті мен Калифорния университеті, Берклиді бітірген Спединг 1937 жылы Айова штаты колледжінде физикалық химия кафедрасының меңгерушісі және ассистент-профессоры болды. Оның оқу орнын дамытудағы күш-жігері өте табысты болғандықтан, ол өмірінің соңына дейін сонда жұмыс істеді, 1941 жылы химия профессоры, 1950 жылы физика профессоры, 1962 жылы металлургия профессоры, ал 1973 жылы зейнеткер профессор атанды. Ол доктор Харли Вильгельммен бірлесіп Атомдық зерттеулер институтын және Атом энергиясы комиссиясының Эймс зертханасын құрды және 1947 жылдан 1968 жылға дейін Эймс зертханасын басқарды. Спединг ион алмастырғыш шайырларды қолдана отырып, сирек кездесетін жер элементтерін бөлу және тазартудың ион алмасу әдісін жасады, содан кейін ион алмасуды жеке элементтердің изотоптарын, оның ішінде дерлік таза азот-15-тің жүздеген грамдарын бөлу үшін пайдаланды. Ол 250-ден астам рецензияланған мақала жариялады және өзінің атынан және басқалармен бірлесіп 22 патентті алды. Оның жетекшілігімен 88 студент докторлық диссертациясын қорғады.

Ерте өмір және білім

Спединг 1902 жылғы 22 қазанда Канаданың Онтарио штатындағы Гамильтон қаласында Говард Лесли Спединг пен Мэри Энн Элизабет (Маршалл) Спедингтің ұлы болып дүниеге келді. Ол туғаннан кейін көп ұзамай отбасы Мичиганға, содан кейін Чикагоға көшті. Әкесі арқылы АҚШ азаматы болды. 1918 жылы отбасы Энн-Арборға (Мичиган штаты) көшіп келді, онда әкесі фотограф болып жұмыс істеді. 1920 жылы Мичиган университетіне түсіп, 1925 жылы химиялық инженерия саласында бакалавр (B. S.) дәрежесін, ал келесі жылы аналитикалық химия саласында магистр (M. S.) дәрежесін алды. Оқу кезінде Спединг Фридрих Август Кекуленің бензолдағы алты көміртек атомының қалай байланысқандығы туралы қабылданған түсіндірмесімен келіспеді және басқаша түсіндірме ұсынды. Оның профессоры Мозес Гомберг бұл 1869 жылы Альберт Ладенбург ұсынған (бұрыс) модельмен бірдей екенін анықтады. Гомбергтің ұсынысымен Спединг Берклидегі Калифорния университетіне Гилберт Н. Льюис басшылығымен докторлық диссертациясын жазуға түсті. Гомберг Спедингті қабылдау үшін ғана емес, оқытушылық стипендия алуына да ұсыныс жазып берді. Льюис басшылығымен Спединг 1929 жылы философия докторы (Ph. D.) дәрежесін алды, оның диссертациясы "Көрінетін және ультракөк сәулелі спектрдегі төмен температурадағы қатты денелердегі сызықтық сіңіру спектрлері" тақырыбында болды. Ол сол жылы Physical Review журналында жарияланды.

Ерте мансап

Спедингтің бітіруі Ұлы депрессияның басталуымен бірге келді, және жұмыс табу қиын болды. 1930 жылдан 1932 жылға дейін Спединг Ұлттық зерттеу стипендиясын алды, бұл оған Берклиде қалып, қатты денелер спектрін зерттеуді жалғастыруға мүмкіндік берді. Солтүстік Калифорнияда серуендеп жүргенде ол Этель Энни Макфарлейнмен танысты, ол кемпинг, жаяу жүру және тау шаруасына ортақ құмарлық танытты. Виннипегте (Манитоба) туған ол Саскачеван және Торонто университеттерін бітірген, соңғысында тарихтан магистр дәрежесін алған. Олар кездескен кезде ол Британдық Колумбиядағы Виктория қаласындағы Виктория орта мектебінде сабақ беріп жүрген. Олар 1931 жылдың 21 маусымында үйленді. 1939 жылы Мэри Энн Элизабет есімді қыздары дүниеге келді. 1932 жылдан 1934 жылға дейін Спединг Льюис үшін химия оқытушысы болып жұмыс істеді. Осы кезеңде ол сирек кездесетін элементтер химиясына қызығушылық таныта бастады. Бұл элементтер қымбатқа соқты, табу қиын болды және көбінесе өте аз мөлшерде қол жетімді болды. 1933 жылы ол ең үздік жас химик үшін Ирвинг Лангмуир сыйлығын жеңіп алды. Сыйлыққа 1000 доллар ақшалай сыйлық қоса берілді. Ол оны алу үшін Чикагоға баруға ақша қарыздады. Сол жерде ол бірнеше фунт европий мен самарийді ұсынған адаммен кездесті. Оның меценаты – Чикаго университетінің зейнеткер химия профессоры Герберт Ньюби МакКой, ол осы элементтерді Линдсей Лайт және Химиялық компаниядан алған, онда олар торий өндірісінің қосалқы өнімі болған. Бірнеше аптадан кейін Спединг пошта арқылы металл банкалары бар жәшіктерді алды. 1934 жылы Спедингке Гуггенхайм стипендиясы берілді, бұл оған Еуропада оқуға мүмкіндік берді. Ақшаны үнемдеу үшін Спединг әйелімен бірге Тынық мұхиты арқылы батысқа қарай Еуропаға сапар шекті. Ол Джеймс Франк пен Фрэнсис Саймонның басшылығымен Германияда оқуды жоспарлаған, бірақ 1933 жылдың наурыз айында Адольф Гитлер билікке келгеннен кейін олар Германиядан қашып кетті. Оның орнына ол Англиядағы Кембридж университетінің Кавендиш зертханасына барды, онда оны Ральф Х. Фаулер құшақтап алды. Спединг Джон Леннард Джонспен жұмыс істеді және Макс Борнның дәрістеріне қатысты. Ол Нильс Борға Копенгагенде барып, Ленинградта лекция оқыды. 1935 жылы Спединг АҚШ-қа оралғанда, ел әлі де Ұлы депрессияның ықпалында болды, және жұмыс нарығы жақсармаған еді. Ол 1935-1937 жылдары Корнелл университетінде Джордж Фишер Бейкердің ассистенті болды. Бұл уақытша қызмет болды, бірақ ол Ханс Бетемен жұмыс істеуге мүмкіндік берді. Бір кезде ол тұрақты қызмет іздеу ниетімен Огайо штатының университетіне барды. Ол қызмет орнына ие болған еді, бірақ ондағы химия профессоры У. Л. Эванс Айова штатының Эймс қаласындағы Айова штатының колледжінде Винфред Ф. (Бак) Кувердің бос орынға ие екенін білді. "Мен бұл жерді әдетте таңдамас едім", - деді кейінірек Спединг, - "бірақ мен мұңайып қалған едім. Мен ойладым: мен онда физикалық химияны дамытуға барамын, ал жұмыс орындары ашылғанда басқа мектепке өте аламын". Спединг 1937 жылы Айова штатының колледжінде физикалық химия кафедрасының меңгерушісі және ассистент профессоры қызметін атқара бастады. Оның мектепті дамытудағы күш-жігері соншалықты табысты болды, ол өмірінің соңына дейін сонда қалды, 1941 жылы химия профессоры, 1950 жылы физика профессоры, 1962 жылы металлургия профессоры, ал 1973 жылы зейнеткер профессор атанды. Комптон Спедингті металлургиялық зертхананың химия бөлімінің басшысы болуға шақырды. Чикаго университетінде орын жетіспеушілігіне байланысты Спединг Айова штатының Эймс колледжіндегі химия бөлімінің бір бөлігін ұйымдастыруды ұсынды, онда оған көмектесуге дайын әріптестері болды. Спединг аптаның жартысын Эймсте, жартысын Чикагода өткізетіндігі туралы келісімге қол қойылды. Күн тәртібіндегі бірінші мәселе – Энрико Ферми ұсынып отырған ядролық реактор үшін уран табу болды. Коммерциялық түрде қол жетімді жалғыз уран металлын Westinghouse Electric and Manufacturing Company компаниясы фотохимиялық процесс арқылы өндірді, ол бір граммы шамамен 20 долларға сатылатын ширек мөлшеріндегі слиткаларды өндірді. Эдвард Круц, уранды өндіруге жауапты топтың басшысы, өз тәжірибелері үшін апельсин мөлшеріндегі металл шарды қалаған. Вестингхаустың әдісімен оны өндіруге 200 000 доллар жұмсалып, бір жыл уақыт кететін еді. Тағы бір маңызды мәселе – уранның тазалығы болды. Ластанған заттар нейтрондық у ретінде әрекет етіп, ядролық реактордың жұмыс істеуіне кедергі келтіруі мүмкін, бірақ Фермидің тәжірибелік реакторы үшін қалаған уран оксидінде ластанған заттардың мөлшері қабылдауға келмейтін деңгейде болды. Нәтижесінде 1942 жылға дейін жарияланған анықтамаларда оның балқу температурасы көрсетілген, ал таза уран металлының нақты балқу температурасы басқаша. Уран оксидін зертханада тазартудың ең тиімді жолы – уран нитраты эфирде еритінетін қасиетін пайдалану болды. Бұл процесті өндіріс масштабында жүзеге асыру қауіпті болды, өйткені эфир жарылғыш, ал оны көп мөлшерде пайдаланатын зауыт жанып немесе жарылуы мүмкін еді. Комптон мен Спединг эфирмен жұмыс тәжірибесі бар Сент-Луис, Миссури штатындағы Mallinckrodt компаниясына жүгінді. Спединг 1942 жылдың 17 сәуір күні Mallinckrodt компаниясының инженерлері Генри В. Фарр мен Джон Р. Рухоффпен бұл мәселені талқылады. Бірнеше ай ішінде жоғары таза уран оксидінің 60 тоннасы өндірілді. Спединг Эймстегі тобы үшін екі химия профессорын – Харли Вильгельм мен И. Б. Джонсты тартты. Спединг пен Вильгельм уран металлын жасаудың жолдарын іздеуге кірісті. Ол кезде ол ұнтақ түрінде өндірілді және өте пирофорлы болды. Оны престеп, спекациялап, банкаларда сақтауға болады, бірақ пайдалы болуы үшін оны балқытып, құю қажет еді. Эймстік команда балқытылған уранды графит контейнеріне құюға болатынын тапты. Графит уранмен реакцияға түседі дегені белгілі болғанмен, бұл басқарылатын еді, өйткені карбид екеуі де жанасқан жерлерде ғана пайда болды. Уран металлын өндіру үшін олар уран оксидін сутекпен тотықтыруға тырысты, бірақ бұл жұмыс істемеді. Содан кейін олар 1926 жылы Нью-Гэмпшир университетінде Дж. К. Гоггинс және басқалар жасаған (қазір "Эймс процесі" деп белгілі) процесті зерттеді. Бұл процесс кальций оксидімен қапталған болаттық қысымды ыдысқа ( "бомба" деп белгілі) уран тетрахлориді мен кальций металлын араластыруды және оны қыздыруды қамтыды. Олар Гоггинстің нәтижелерін 1942 жылдың тамызында қайта жасай алды, ал қыркүйекке қарай Эймс жобасы бір слиток өндірді. 1943 жылдың шілдесінен бастап Mallinckrodt, Union Carbide және DuPont компаниялары Эймс процесі арқылы уран өндіруді бастады, ал Эймс 1945 жылдың басына қарай өз өндірісін тоқтатты. Нәтижесінде Эймс зертханасы Чикагоға көшпеді, бірақ Спединг 1942 жылдың 2 желтоқсанында Фермидің Чикаго Пайлы 1-дегі алғашқы басқарылатын ядролық тізбектік реакциясын көру үшін Чикаго университетінде болды. Соғыс жылдарында зертхана "Спединнарлар" деп аталатын ақпараттық сессияларды тұрақты түрде өткізді. Уранмен жұмысынан басқа, Эймс зертханасы плутоний металлургтары қолданған церий сульфидтік тигельдері үшін өте таза церийдің шамамен тоннасын өндірді. Әлемдегі уран қоры шектеулі деген қорқыныш, ториймен тәжірибелерге әкелді, оны сәулелендіру арқылы бөлінетін уран-233 өндіруге болады. Торий үшін кальцийді тотықтыру процесі әзірленді, және шамамен тонна өндірілді.

Spedding's graduation coincided with the onset of the Great Depression, and jobs became hard to find. Spedding received a National Research Fellowship from 1930 to 1932, enabling him to stay at Berkeley and continue his research into the spectra of solids. While hiking in northern California, he met Ethel Annie MacFarlane, who shared his passion for camping, hiking and mountain climbing. Born in Winnipeg, Manitoba, she was a graduate of the University of Saskatchewan and the University of Toronto, where she had earned a master's degree in history. When they met, she was teaching at Victoria High School in Victoria, British Columbia. They were married on 21 June 1931. They had a daughter, Mary Anne Elizabeth, who was born in 1939. From 1932 to 1934, Spedding worked for Lewis as a chemistry instructor. Around this time, he became interested in the chemistry of the rare earths. These were expensive and hard to find, and generally available only in minute amounts. In 1933 he won the Irving Langmuir Award for most outstanding young chemist. The award came with a cash prize of $1,000. He borrowed money to travel to Chicago to collect it. While he was there, he was approached by a man offering several pounds of europium and samarium. His benefactor was Herbert Newby McCoy, a retired chemistry professor from the University of Chicago, who had obtained a supply of these elements from the Lindsay Light and Chemical Company, where they were a byproduct of thorium production. A few weeks later, Spedding received a package in the mail containing jars of the metals. In 1934, Spedding was awarded a Guggenheim Fellowship, allowing him to study in Europe. To save money, Spedding and his wife travelled to Europe by heading westward across the Pacific. His intention was to study in Germany under James Franck and Francis Simon, but they fled Germany after Adolf Hitler came to power in March 1933. Instead he went to the Cavendish Laboratory at the University of Cambridge in England, where he was welcomed by Ralph H. Fowler. Spedding worked with John Lennard Jones, and attended lectures given by Max Born. He paid a visit to Niels Bohr in Copenhagen, and gave a lecture in Leningrad. When Spedding returned to the United States in 1935, the country was still in the grip of the Great Depression, and the job market had not improved. He was George Fisher Baker assistant professor at Cornell University from 1935 to 1937. It was another temporary position, but it did allow him to work with Hans Bethe. At one point he drove out to Ohio State University hoping to find a tenure track position. The position had already been filled, but the professor of chemistry there, W. L. Evans, knew that Winfred F. (Buck) Coover at Iowa State College in Ames, Iowa, had a position. "I wouldn't normally have chosen the place," Spedding later recalled, "but I was desperate. I thought: I can go there and build up physical chemistry and when jobs really open up I can go to another school." Spedding took up the position as assistant professor and head of the department of physical chemistry at Iowa State College in 1937. His efforts at building up the school were so successful that he would spend the rest of his career there, becoming a professor of chemistry in 1941, a professor of physics in 1950, a professor of metallurgy in 1962, and ultimately professor emeritus in 1973. Compton asked Spedding to become the head of the Metallurgical Laboratory's Chemistry Division. Due to lack of space at the University of Chicago, Spedding proposed to organise part of the Chemistry Division at Iowa State College in Ames, where he had colleagues who were willing to help. It was agreed that Spedding would spend half of each week in Ames, and half in Chicago. The first problem on the agenda was to find uranium for the nuclear reactor that Enrico Fermi was proposing to build. The only uranium metal available commercially was produced by the Westinghouse Electric and Manufacturing Company, using a photochemical process that produced ingots the size of a quarter that were sold for around $20 per gram. Edward Creutz, the head of the group responsible for fabricating the uranium, wanted a metal sphere the size of an orange for his experiments. With Westinghouse's process, it would have cost $200,000 and taken a year to produce. The other major problem was the purity of the uranium. Impurities could act as neutron poisons and prevent a nuclear reactor from working, but the uranium oxide that Fermi wanted for his experimental reactor contained unacceptably large amounts of impurities. As a result, references published before 1942 typically listed its melting point at around when pure uranium metal actually melts at The most effective way to purify uranium oxide in the laboratory was to take advantage of the fact that uranium nitrate is soluble in ether. Scaling this process up for industrial production was a dangerous proposition; ether was explosive, and a factory using large quantities was likely to blow up or burn down. Compton and Spedding turned to Mallinckrodt in Saint Louis, Missouri, which had experience with ether. Spedding went over the details with Mallinckrodt's chemical engineers, Henry V. Farr and John R. Ruhoff, on 17 April 1942. Within a few months, sixty tons of highly pure uranium oxide was produced. Spedding recruited two chemistry professors at Ames for his group there, Harley Wilhelm and I. B. Johns. Spedding and Wilhelm began looking for ways to create the uranium metal. At the time, it was produced in the form of a powder, and was highly pyrophoric. It could be pressed and sintered and stored in cans, but to be useful, it needed to be melted and cast. The Ames team found that molten uranium could be cast in a graphite container. Although graphite was known to react with uranium, this could be managed because the carbide formed only where the two touched. To produce uranium metal, they tried reducing uranium oxide with hydrogen, but this did not work. They then investigated a process (now known as the Ames process) originally developed by J. C. Goggins and others at the University of New Hampshire in 1926. This involved mixing uranium tetrachloride and calcium metal in a calcium oxide lined steel pressure vessel (known as a "bomb") and heating it. They were able to reproduce Goggin's results in August 1942, and by September, the Ames Project had produced a ingot. Starting in July 1943, Mallinckrodt, Union Carbide, and DuPont began producing uranium by the Ames process, and Ames phased out its own production by early 1945. As a result, the Ames Laboratory never moved to Chicago, but Spedding was present at the University of Chicago on 2 December 1942, to witness the first controlled nuclear chain reaction in Fermi's Chicago Pile 1. Throughout the war, the laboratory held regular information sessions known as "Speddinars". In addition to its work with uranium, the Ames Laboratory produced of extremely pure cerium for the cerium sulphide crucibles used by the plutonium metallurgists. Fears that world supplies of uranium were limited led to experiments with thorium, which could be irradiated to produce fissile uranium 233. A calcium reduction process was developed for thorium, and some was produced.