Фрэнк Гарольд Спеддинг (22 октября 1902 г. – 15 декабря 1984 г.) был канадско-американским химиком . Он был известным экспертом по редкоземельным элементам и извлечению металлов из минералов. Процесс извлечения урана помог сделать возможным Манхэттенский проект по созданию первых атомных бомб .
Выпускник Мичиганского университета и Калифорнийского университета в Беркли , Спеддинг стал доцентом и заведующим кафедрой физической химии в колледже штата Айова в 1937 году. Его усилия по созданию школы были настолько успешными, что он провел там остаток своей карьеры, став профессором химии в 1941 году, профессором физики в 1950 году, профессором металлургии в 1962 году и, в конечном итоге, почетным профессором в 1973 году. Он стал соучредителем, вместе с доктором Харли Вильгельмом, Института атомных исследований и Лаборатории Эймса Комиссии по атомной энергии и руководил Лабораторией Эймса с момента ее основания в 1947 году до 1968 года.
Спеддинг разработал ионообменный метод разделения и очистки редкоземельных элементов с использованием ионообменных смол , а позднее использовал ионный обмен для разделения изотопов отдельных элементов, включая сотни граммов почти чистого азота-15 . Он опубликовал более 250 рецензируемых статей и имел 22 патента на свое имя и совместно с другими. Около 88 студентов получили степень доктора философии под его руководством.
Спеддинг родился 22 октября 1902 года в Гамильтоне, Онтарио , Канада, в семье Говарда Лесли Спеддинга и Мэри Энн Элизабет (Маршалл) Спеддинг. Вскоре после его рождения семья переехала в Мичиган, а затем в Чикаго. [1] Он стал натурализованным гражданином США благодаря своему отцу. [2] Семья переехала в Энн-Арбор, штат Мичиган , где его отец работал фотографом, в 1918 году. Он поступил в Мичиганский университет в 1920 году, получив степень бакалавра наук (BS) по химическому машиностроению в 1925 году и степень магистра наук (MS) по аналитической химии в следующем году. [1]
Будучи студентом, Спеддинг не согласился с преобладающим объяснением Фридриха Августа Кекуле того, как шесть атомов углерода в бензоле держатся вместе, и предложил альтернативное объяснение. Его профессор, Моисей Гомберг , признал это как то же самое, что и (неправильная) модель, выдвинутая Альбертом Ладенбургом в 1869 году. По предложению Гомберга Спеддинг подал заявление в Калифорнийский университет в Беркли , чтобы учиться на докторантуру у Гилберта Н. Льюиса . Гомберг написал рекомендацию, так что Спеддинга не только приняли, но и дали преподавательскую стипендию. [3] Под руководством Льюиса Спеддинг получил степень доктора философии (Ph.D.) в 1929 году, [4] написав диссертацию на тему «Линейные спектры поглощения в твердых телах при низких температурах в видимой и ультрафиолетовой областях спектра». [1] Она была опубликована в том же году в Physical Review . [5]
Окончание обучения Спеддинга совпало с началом Великой депрессии , и стало трудно найти работу. Спеддинг получил Национальную исследовательскую стипендию с 1930 по 1932 год, что позволило ему остаться в Беркли и продолжить свои исследования спектров твердых тел. [3] Во время пеших прогулок по северной Калифорнии он встретил Этель Энни Макфарлейн, которая разделяла его страсть к кемпингу, походам и альпинизму. Родившись в Виннипеге, Манитоба, она была выпускницей Университета Саскачевана и Университета Торонто , где она получила степень магистра истории. Когда они встретились, она преподавала в средней школе Виктории в Виктории, Британская Колумбия . Они поженились 21 июня 1931 года. У них была дочь Элизабет, которая родилась в 1939 году. [6] [7] [8] [9]
С 1932 по 1934 год Спеддинг работал у Льюиса преподавателем химии. Примерно в это же время он заинтересовался химией редкоземельных элементов . [10] [3] Они были дорогими и их было трудно найти, и обычно они были доступны только в небольших количествах. В 1933 году он выиграл премию Ирвинга Ленгмюра как самый выдающийся молодой химик. Награда сопровождалась денежным призом в размере 1000 долларов. Он занял денег, чтобы поехать в Чикаго и забрать ее. Пока он был 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 поставку этих элементов от Lindsay Light and Chemical Company, где они были побочным продуктом производства тория . Несколько недель спустя Спеддинг получил по почте посылку, содержащую банки металлов. [11]
В 1934 году Спеддингу была присуждена стипендия Гуггенхайма , [12] позволившая 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 Саймона , но они бежали из Германии после прихода Адольфа Гитлера к власти в марте 1933 года. Вместо этого он отправился в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета в Англии, где его приветствовал Ральф Х. Фаулер . Спеддинг работал с Джоном Леннардом-Джонсом и посещал лекции Макса Борна . Он посетил Нильса Бора в Копенгагене и прочитал лекцию в Ленинграде . [13]
Когда Спеддинг вернулся в Соединенные Штаты в 1935 году, страна все еще находилась во власти Великой депрессии, и рынок труда не улучшился. Он был доцентом Джорджа Фишера Бейкера в Корнеллском университете с 1935 по 1937 год. Это была еще одна временная должность, но она позволила ему работать с Гансом Бете . [14] [15] В какой-то момент он поехал в Университет штата Огайо в надежде найти должность с возможностью получения постоянной должности. Должность уже была занята, но профессор химии там, У. Л. Эванс, знал, что у Уинфреда Ф. (Бак) Кувера в колледже штата Айова в Эймсе, штат Айова , была должность. «Обычно я бы не выбрал это место», — вспоминал позже Спеддинг, — «но я был в отчаянии. Я подумал: я могу поехать туда и развить физическую химию, а когда действительно появятся рабочие места, я смогу перейти в другую школу». [15]
В 1937 году Спеддинг занял должность доцента и заведующего кафедрой физической химии в колледже штата Айова. Его усилия по созданию школы были настолько успешными, что он провел там остаток своей карьеры, став профессором химии в 1941 году, профессором физики в 1950 году, профессором металлургии в 1962 году и, в конечном итоге, почетным профессором в 1973 году. [4]
К февралю 1942 года Соединенные Штаты вступили во Вторую мировую войну, и Манхэттенский проект набирал силу. В Чикагском университете Артур Х. Комптон основал Металлургическую лабораторию . Ее задачей было построить ядерные реакторы для создания плутония , который будет использоваться в атомных бомбах . [16] За советом по созданию химического отделения лаборатории Комптон, физик, обратился к Герберту Маккою, [17] который имел значительный опыт работы с изотопами и радиоактивными элементами. Маккой рекомендовал Спеддинга как эксперта по редкоземельным элементам, которые были химически похожи на ряд актинидов , включающий уран и плутоний. [18] Комптон попросил Спеддинга стать главой химического отделения Металлургической лаборатории. [19]
Из-за нехватки места в Чикагском университете Спеддинг предложил организовать часть химического отделения в колледже штата Айова в Эймсе, где у него были коллеги, готовые помочь. Было решено, что Спеддинг будет проводить половину каждой недели в Эймсе, а половину — в Чикаго. [20] Первой проблемой на повестке дня было найти уран для ядерного реактора, который предлагал построить Энрико Ферми . Единственный металлический уран, доступный в продаже, производился компанией Westinghouse Electric and Manufacturing Company с использованием фотохимического процесса, который производил слитки размером с четвертак , которые продавались примерно по 20 долларов за грамм. Эдвард Крейц , руководитель группы, ответственной за изготовление урана, хотел получить металлическую сферу размером с апельсин для своих экспериментов. С процессом Вестингауза это стоило бы 200 000 долларов и заняло бы год. [21]
Другой важной проблемой была чистота урана. Примеси могли действовать как нейтронные яды и мешать работе ядерного реактора, но оксид урана, который Ферми хотел для своего экспериментального реактора, содержал неприемлемо большое количество примесей. В результате ссылки, опубликованные до 1942 года, обычно указывали его температуру плавления около 1800 °C (3270 °F), тогда как чистый металлический уран на самом деле плавится при 1132 °C (2070 °F). [22] Наиболее эффективным способом очистки оксида урана в лаборатории было использование того факта, что нитрат урана растворим в эфире . Масштабирование этого процесса для промышленного производства было опасным предложением; эфир был взрывоопасным, и завод, использующий большие количества, скорее всего, взорвался или сгорел. Комптон и Спеддинг обратились к Mallinckrodt в Сент-Луисе, штат Миссури , у которого был опыт работы с эфиром. 17 апреля 1942 года Спеддинг обсудил детали с инженерами-химиками компании Mallinckrodt, Генри В. Фарром и Джоном Р. Рухоффом. В течение нескольких месяцев было произведено шестьдесят тонн высокочистого оксида урана. [23] [24]
Спеддинг нанял двух профессоров химии в Эймсе для своей группы там, Харли Вильгельма и И. Б. Джонса. Спеддинг и Вильгельм начали искать способы создания металлического урана. В то время он производился в виде порошка и был очень пирофорным . Его можно было прессовать, спекать и хранить в банках, но чтобы он был полезен, его нужно было расплавить и отлить. Команда Эймса обнаружила, что расплавленный уран можно отлить в графитовый контейнер. Хотя было известно, что графит реагирует с ураном, это можно было контролировать, поскольку карбид образовывался только там, где они соприкасались. [25]
Для получения металлического урана они попытались восстановить оксид урана водородом, но это не сработало. Затем они исследовали процесс (теперь известный как процесс Эймса ), первоначально разработанный Дж. К. Гоггинсом и другими в Университете Нью-Гемпшира в 1926 году. Он включал смешивание тетрахлорида урана и металлического кальция в стальном сосуде высокого давления с футеровкой из оксида кальция (известном как «бомба») и нагревание. Им удалось воспроизвести результаты Гоггина в августе 1942 года, и к сентябрю проект Эймса произвел слиток весом 4,980 кг (10,98 фунта). [25] [26] [27] Начиная с июля 1943 года компании Mallinckrodt, Union Carbide и DuPont начали производить уран по методу Эймса, а к началу 1945 года Эймс прекратил собственное производство. В результате лаборатория Эймса так и не переехала в Чикаго, но Спеддинг присутствовал в Чикагском университете 2 декабря 1942 года, чтобы стать свидетелем первой контролируемой цепной ядерной реакции в Чикагском реакторе Ферми-1 . [28]
В течение всей войны лаборатория проводила регулярные информационные сессии, известные как «Speddinars». В дополнение к своей работе с ураном, лаборатория Эймса произвела 437 фунтов (198 кг) чрезвычайно чистого церия для тиглей из сульфида церия, используемых металлургами плутония. Опасения, что мировые поставки урана ограничены, привели к экспериментам с торием, который можно было облучить для получения расщепляющегося урана-233 . Для тория был разработан процесс восстановления кальция, и было произведено около 4500 фунтов (2000 кг). [29]
После Второй мировой войны Спеддинг основал Институт атомных исследований и Лабораторию Эймса Комиссии по атомной энергии . Он руководил Лабораторией Эймса с момента ее основания в 1947 году до 1968 года. [4] Первоначально она была основана на территории Колледжа штата Айова. Были построены постоянные здания, которые были открыты в 1948 и 1950 годах, и впоследствии названы Вильгельм Холл и Спеддинг Холл. [30] Спеддинг был «общепризнанным одним из ведущих мировых экспертов по идентификации и разделению редкоземельных элементов». [4] Он разработал ионообменный метод разделения и очистки редкоземельных элементов с использованием ионообменных смол . [31] [32] Позднее он использовал ионный обмен для разделения изотопов отдельных элементов, включая сотни граммов почти чистого азота-15 . [33]
За свою карьеру Спеддинг опубликовал более 260 рецензируемых статей [4] и получил 22 патента от своего имени и совместно с другими. Около 88 студентов получили степень доктора философии под его руководством. [34] После выхода на пенсию в 1972 году он написал 60 книг. [6] Он получил премию Уильяма Х. Николса от Американского химического общества в 1952 году, золотую медаль Джеймса Дугласа от Американского института горных, металлургических и нефтяных инженеров в 1961 году и медаль Фрэнсиса Дж. Кламера от Института Франклина в 1969 году . [34] Он был несколько раз номинирован на Нобелевскую премию по химии, но так и не получил ее. [8] Награда под названием Премия Фрэнка Х. Спеддинга вручается на ежегодной Конференции по исследованию редкоземельных элементов. [35]
В ноябре 1984 года Спеддинг перенес инсульт и был госпитализирован, но отправлен домой. Он скоропостижно скончался 15 декабря 1984 года [6] [8] и был похоронен на кладбище в Университете штата Айова. [36] У него остались жена, дочь и трое внуков. [8] Его документы хранятся в Отделе специальных коллекций Университета штата Айова. [4]
