Фрэнк Гарольд Спеддинг: Химик и вклад в Манхэттенский проект

Введение

Фрэнк Гарольд Спэддинг (22 октября 1902 – 15 декабря 1984) – канадско-американский химик. Он был признанным экспертом в области редкоземельных элементов и извлечения металлов из минералов. Разработанный им процесс извлечения урана способствовал созданию первых атомных бомб в рамках Манхэттенского проекта. Окончив Мичиганский университет и Калифорнийский университет в Беркли, в 1937 году Спэддинг стал ассистентом профессора и заведующим кафедрой физической химии в Государственном колледже штата Айова. Его усилия по развитию учебного заведения оказались настолько успешными, что он посвятил ему всю дальнейшую карьеру, став профессором химии в 1941 году, профессором физики в 1950 году, профессором металлургии в 1962 году и, наконец, профессором эмеритусом в 1973 году. Вместе с доктором Харли Вильгельмом он был соучредителем Института атомных исследований и Лаборатории Эймса Комиссии по атомной энергии, а также руководил Лабораторией Эймса с момента её основания в 1947 году до 1968 года. Спэддинг разработал метод разделения и очистки редкоземельных элементов с использованием ионообменных смол, а позднее применил ионный обмен для разделения изотопов отдельных элементов, в том числе выделил сотни граммов почти чистого азота-15. Он опубликовал более 250 рецензируемых научных статей и являлся автором 22 патентов, оформленных на его имя и совместно с другими исследователями. Под его руководством 88 студентов получили степень доктора философии.

Ранние годы и образование

Спэддинг родился 22 октября 1902 года в Гамильтоне, провинция Онтарио, Канада, в семье Говарда Лесли Спэддинга и Мэри Энн Элизабет (Маршалл) Спэддинг. Вскоре после его рождения семья переехала в Мичиган, а затем в Чикаго. Он получил гражданство США по праву отцовства. В 1918 году семья переехала в Энн-Арбор, штат Мичиган, где его отец работал фотографом. В 1920 году он поступил в Мичиганский университет, получив степень бакалавра наук (B.S.) в области химической инженерии в 1925 году и степень магистра наук (M.S.) в области аналитической химии в следующем году. Будучи студентом, Спэддинг не согласился с общепринятым объяснением Фридриха Августа Кекуле строения бензола и предложил альтернативное объяснение. Его профессор, Мозес Гомберг, отметил, что это совпадает с (неверной) моделью, предложенной Альбертом Ладенбургом в 1869 году. По предложению Гомберга, Спэддинг поступил в Калифорнийский университет в Беркли для получения докторской степени под руководством Гилберта Н. Льюиса. Гомберг написал рекомендательное письмо, благодаря которому Спэддинг был не только принят, но и получил стипендию для преподавания. Под руководством Льюиса Спэддинг получил степень доктора философии (Ph.D.) в 1929 году, защитив диссертацию на тему «Спектры линейного поглощения в твердых телах при низких температурах в видимой и ультрафиолетовой областях спектра». В том же году она была опубликована в журнале Physical Review.

Начало карьеры

Окончание учебы Спеддинга совпало с началом Великой депрессии, и найти работу стало затруднительно. С 1930 по 1932 год Спеддинг получил Национальную исследовательскую стипендию, что позволило ему остаться в Беркли и продолжить исследования спектров твердых тел. Во время похода по северной Калифорнии он встретил Этель Энни Макфарлейн, которая разделяла его увлечение походами, туризмом и альпинизмом. Родилась в Виннипеге, Манитоба, и окончила Университет Саскачевана и Университет Торонто, где получила степень магистра истории. Когда они познакомились, она преподавала в Викторианской средней школе в Виктории, Британская Колумбия. Они поженились 21 июня 1931 года. У них родилась дочь Мэри Энн Элизабет, которая появилась на свет в 1939 году. С 1932 по 1934 год Спеддинг работал у Льюиса инструктором по химии. Примерно в это же время он заинтересовался химией редкоземельных элементов. Они были дорогими и труднодоступными, и обычно были доступны лишь в незначительных количествах. В 1933 году он был удостоен премии Ирвинга Лангмуира как выдающийся молодой химик. Премия включала денежный приз в размере 1000 долларов. Он взял в долг деньги, чтобы поехать в Чикаго и получить ее. Там к нему подошел человек, предлагавший несколько фунтов европия и самария. Его благодетелем был Герберт Ньюби Маккой, отставной профессор химии из Чикагского университета, который получил эти элементы от компании Lindsay Light and Chemical Company, где они являлись побочным продуктом производства тория. Через несколько недель Спеддинг получил по почте посылку с банками, содержащими эти металлы. В 1934 году Спеддинг получил стипендию Гуггенхайма, что позволило ему учиться в Европе. Чтобы сэкономить деньги, Спеддинг и его жена отправились в Европу, направившись на запад через Тихий океан. Он намеревался учиться в Германии у Джеймса Франка и Фрэнсиса Симона, но они бежали из Германии после прихода к власти Адольфа Гитлера в марте 1933 года. Вместо этого он отправился в Лабораторию Кавендиша в Кембриджском университете в Англии, где его радушно встретил Ральф Х. Фаулер. Спеддинг работал с Джоном Леннардом Джонсом и посещал лекции Макса Борна. Он нанес визит Нильсу Бору в Копенгаген и прочитал лекцию в Ленинграде. Когда Спеддинг вернулся в Соединенные Штаты в 1935 году, страна все еще находилась в тисках Великой депрессии, и ситуация на рынке труда не улучшилась. С 1935 по 1937 год он был ассистентом профессора Джорджа Фишера Бейкера в Корнеллском университете. Это была очередная временная должность, но она позволила ему работать с Гансом Бете. Однажды он поехал в Университет штата Огайо в надежде найти постоянную должность. Эта должность уже была занята, но профессор химии там, У. Л. Эванс, знал, что Уинфред Ф. (Бак) Кувер в Государственном колледже штата Айова в Эймсе, штат Айова, имеет открытую вакансию. "Обычно я бы не выбрал это место, - вспоминал позднее Спеддинг, - но я был в отчаянии. Я подумал: я могу пойти туда и развивать физическую химию, а когда появятся настоящие вакансии, я смогу перейти в другой университет". Спеддинг занял должность ассистента профессора и заведующего кафедрой физической химии в Государственном колледже штата Айова в 1937 году. Его усилия по развитию учебного заведения оказались настолько успешными, что он провел там всю оставшуюся карьеру, став профессором химии в 1941 году, профессором физики в 1950 году, профессором металлургии в 1962 году и, наконец, профессором-эмеритом в 1973 году. Комптон попросил Спеддинга возглавить химический отдел Металлургической лаборатории. Из-за нехватки места в Чикагском университете Спеддинг предложил организовать часть химического отдела в Государственном колледже штата Айова в Эймсе, где у него были коллеги, готовые помочь. Было согласовано, что Спеддинг будет проводить половину каждой недели в Эймсе, а другую половину - в Чикаго. Первой задачей на повестке дня было найти уран для ядерного реактора, который Энрико Ферми предлагал построить. Единственный коммерчески доступный уран производился компанией Westinghouse Electric and Manufacturing Company с использованием фотохимического процесса, который давал слитки размером с четверть доллара, продававшиеся примерно по 20 долларов за грамм. Эдвард Круц, руководитель группы, ответственной за изготовление урана, хотел для своих экспериментов металлическую сферу размером с апельсин. С процессом Westinghouse это стоило бы 200 000 долларов и заняло бы год. Другой серьезной проблемой была чистота урана. Примеси могли действовать как поглотители нейтронов и препятствовать работе ядерного реактора, но оксид урана, который Ферми хотел использовать для своего экспериментального реактора, содержал неприемлемо большое количество примесей. В результате, в справочниках, опубликованных до 1942 года, обычно указывалась его температура плавления, в то время как чистый металлический уран плавится при . Наиболее эффективным способом очистки оксида урана в лаборатории было использование растворимости нитрата урана в эфире. Масштабирование этого процесса для промышленного производства было рискованным; эфир взрывоопасен, и завод, использующий большие его количества, вероятно, взорвется или загорится. Комптон и Спеддинг обратились в компанию Mallinckrodt в Сент-Луисе, штат Миссури, которая имела опыт работы с эфиром. Спеддинг обсудил детали с химическими инженерами Mallinckrodt, Генри В. Фарром и Джоном Р. Рухоффом, 17 апреля 1942 года. В течение нескольких месяцев было произведено шестьдесят тонн высокочистого оксида урана. Спеддинг привлек двух профессоров химии из Эймса для работы в своей группе, Харли Вильгельма и И. Б. Джонса. Спеддинг и Вильгельм начали искать способы получения металлического урана. В то время он производился в виде порошка и был легковоспламеняющимся. Его можно было прессовать и спекать и хранить в банках, но для использования его необходимо было расплавить и отлить. Команда из Эймса обнаружила, что расплавленный уран можно отливать в графитовую форму. Хотя было известно, что графит реагирует с ураном, этим можно было управлять, поскольку карбид образовывался только в местах контакта. Для получения металлического урана они попытались восстановить оксид урана водородом, но это не сработало. Затем они изучили процесс (ныне известный как процесс Эймса), первоначально разработанный Дж. К. Гоггинсом и другими в Университете Нью-Гэмпшира в 1926 году. Он заключался в смешивании тетрахлорида урана и металлического кальция в стальном сосуде под давлением с подкладкой из оксида кальция ("бомбе") и его нагревании. Им удалось воспроизвести результаты Гоггинса в августе 1942 года, и к сентябрю проект Эймса произвел слиток весом . Начиная с июля 1943 года, компании Mallinckrodt, Union Carbide и DuPont начали производить уран по процессу Эймса, и Эймс прекратил собственное производство к началу 1945 года. В результате лаборатория Эймса так и не переехала в Чикаго, но Спеддинг присутствовал в Чикагском университете 2 декабря 1942 года, чтобы стать свидетелем первой управляемой ядерной цепной реакции в Чикагском куче Ферми-1. На протяжении всей войны лаборатория проводила регулярные информационные сессии, известные как "Спеддинары". Помимо работы с ураном, лаборатория Эймса произвела килограммов сверхчистого церия для церий-сульфидных тиглей, используемых металлургами, работающими с плутонием. Опасения по поводу ограниченности мировых запасов урана привели к экспериментам с торием, который можно было облучать для получения делящегося урана-233. Был разработан процесс восстановления тория кальцием, и было произведено некоторое количество .

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.