فرانك سبيدينغ

كان فرانك هارولد سبيدينغ (22 أكتوبر 1902 - 15 ديسمبر 1984) كيميائيًا كنديًا أمريكيًا . اشتهر بخبرته في العناصر الأرضية النادرة واستخلاص المعادن من الخامات. وقد ساهمت عملية استخلاص اليورانيوم التي طورها في تمكين مشروع مانهاتن من بناء أولى القنابل الذرية .

تخرج سبيدينغ من جامعة ميشيغان وجامعة كاليفورنيا في بيركلي ، وأصبح أستاذاً مساعداً ورئيساً لقسم الكيمياء الفيزيائية في كلية ولاية أيوا عام 1937. وقد تكللت جهوده في تطوير الكلية بالنجاح لدرجة أنه أمضى بقية حياته المهنية هناك، حيث أصبح أستاذاً للكيمياء عام 1941، وأستاذاً للفيزياء عام 1950، وأستاذاً لعلم المعادن عام 1962، وأخيراً أستاذاً فخرياً عام 1973. وشارك في تأسيس معهد البحوث الذرية ومختبر أميس التابع لهيئة الطاقة الذرية مع الدكتور هارلي فيلهلم، وأدار مختبر أميس منذ تأسيسه عام 1947 حتى عام 1968.

طوّر سبيدينغ طريقة التبادل الأيوني لفصل وتنقية العناصر الأرضية النادرة باستخدام راتنجات التبادل الأيوني ، واستخدم لاحقًا التبادل الأيوني لفصل نظائر العناصر الفردية، بما في ذلك مئات الغرامات من النيتروجين-15 شبه النقي . نشر أكثر من 250 بحثًا محكّمًا، وحصل على 22 براءة اختراع باسمه وبالاشتراك مع آخرين. حصل نحو 88 طالبًا على درجة الدكتوراه تحت إشرافه.

وُلد سبيدينغ في 22 أكتوبر 1902 في هاميلتون، أونتاريو ، كندا، وهو ابن هوارد ليزلي سبيدينغ وماري آن إليزابيث (مارشال) سبيدينغ. بعد ولادته بفترة وجيزة، انتقلت العائلة إلى ميشيغان، ثم إلى شيكاغو. ^{[ 1 ]} حصل على الجنسية الأمريكية بالتجنس عن طريق والده. ^{[ 2 ]} انتقلت العائلة إلى آن أربور، ميشيغان ، حيث كان والده يعمل مصورًا، في عام 1918. التحق بجامعة ميشيغان عام 1920، وحصل على بكالوريوس العلوم في الهندسة الكيميائية عام 1925، وماجستير العلوم في الكيمياء التحليلية في العام التالي. ^{[ 1 ]}

خلال دراسته الجامعية، اعترض سبيدينغ على التفسير السائد لفريدريك أوغست كيكوليه حول كيفية ترابط ذرات الكربون الست في البنزين ، واقترح تفسيرًا بديلًا. أدرك أستاذه، موسى غومبرغ ، أن هذا التفسير هو نفسه النموذج (الخاطئ) الذي طرحه ألبرت لادنبورغ عام 1869. وبناءً على اقتراح غومبرغ، تقدم سبيدينغ بطلب إلى جامعة كاليفورنيا، بيركلي ، لدراسة الدكتوراه تحت إشراف جيلبرت ن. لويس . كتب غومبرغ توصية لم يقتصر فيها قبول سبيدينغ على ذلك فحسب، بل منحه أيضًا زمالة تدريس. ^{[ 3 ]} تحت إشراف لويس، حصل سبيدينغ على درجة الدكتوراه في الفلسفة عام 1929، ^{[ 4 ]} حيث كتب أطروحته بعنوان "أطياف امتصاص الخطوط في المواد الصلبة عند درجات حرارة منخفضة في منطقتي الطيف المرئي والأشعة فوق البنفسجية". ^{[ 1 ]} نُشرت الأطروحة في ذلك العام في مجلة "فيزيكال ريفيو " . ^{[ 5 ]}

تزامن تخرج سبيدينغ مع بداية الكساد الكبير ، وأصبح العثور على وظائف أمرًا صعبًا. حصل سبيدينغ على زمالة بحثية وطنية من عام 1930 إلى عام 1932، مما مكّنه من البقاء في بيركلي ومواصلة أبحاثه في أطياف المواد الصلبة. ^{[ 3 ]} أثناء رحلة مشي في شمال كاليفورنيا، التقى إيثيل آني ماكفارلين، التي شاركته شغفه بالتخييم والمشي لمسافات طويلة وتسلق الجبال. وُلدت إيثيل في وينيبيغ، مانيتوبا، وتخرجت من جامعة ساسكاتشوان وجامعة تورنتو ، حيث حصلت على درجة الماجستير في التاريخ. عندما التقيا، كانت تُدرّس في مدرسة فيكتوريا الثانوية في فيكتوريا، كولومبيا البريطانية . تزوجا في 21 يونيو 1931. ورُزقا بابنة، إليزابيث، التي وُلدت عام 1939. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

عمل سبيدينغ مدرسًا للكيمياء لدى لويس بين عامي 1932 و1934. وفي تلك الفترة تقريبًا، أبدى اهتمامًا بكيمياء العناصر الأرضية النادرة . ^{[ 10 ] [ 3 ]} كانت هذه العناصر باهظة الثمن ونادرة، ومتوفرة بكميات ضئيلة جدًا. في عام 1933، فاز بجائزة إيرفينغ لانغمير لأبرز كيميائي شاب، والتي بلغت قيمتها 1000 دولار أمريكي. اقترض سبيدينغ المال للسفر إلى شيكاغو لاستلامها. وهناك، تواصل معه رجل عارضًا عليه عدة أرطال من اليوروبيوم والساماريوم . كان هذا الرجل هو هربرت نيوبي مكوي ، أستاذ كيمياء متقاعد من جامعة شيكاغو ، والذي كان قد حصل على هذه العناصر من شركة ليندسي للضوء والكيماويات، حيث كانت تُعتبر منتجًا ثانويًا لإنتاج الثوريوم . بعد بضعة أسابيع، تلقى سبيدينغ طردًا بريديًا يحتوي على جرار من هذه المعادن. ^{[ 11 ]}

في عام ١٩٣٤، مُنح سبيدينغ زمالة غوغنهايم ، ^{[ ١٢ ]} مما أتاح له الدراسة في أوروبا. ولتوفير المال، سافر سبيدينغ وزوجته إلى أوروبا غربًا عبر المحيط الهادئ. كان ينوي الدراسة في ألمانيا على يد جيمس فرانك وفرانسيس سيمون ، لكنهما فرا من ألمانيا بعد وصول أدولف هتلر إلى السلطة في مارس ١٩٣٣. وبدلًا من ذلك، التحق بمختبر كافنديش في جامعة كامبريدج بإنجلترا، حيث استقبله رالف إتش. فاولر . عمل سبيدينغ مع جون لينارد جونز ، وحضر محاضرات ألقاها ماكس بورن . كما زار نيلز بور في كوبنهاغن، وألقى محاضرة في لينينغراد . ^{[ ١٣ ]}

عندما عاد سبيدينغ إلى الولايات المتحدة عام ١٩٣٥، كانت البلاد لا تزال ترزح تحت وطأة الكساد الكبير، ولم يتحسن سوق العمل. عمل أستاذاً مساعداً في جامعة كورنيل، تحت إشراف جورج فيشر بيكر، من عام ١٩٣٥ إلى عام ١٩٣٧. كان هذا منصباً مؤقتاً آخر، ولكنه أتاح له العمل مع هانز بيث . ^{[ ١٤ ] [ ١٥ ]} في إحدى المرات، توجه إلى جامعة ولاية أوهايو أملاً في الحصول على وظيفة أكاديمية دائمة. كان المنصب قد شُغل بالفعل، لكن أستاذ الكيمياء هناك، دبليو إل إيفانز، كان يعلم أن وينفريد إف (باك) كوفر في كلية ولاية أيوا في أميس، أيوا ، لديه وظيفة شاغرة. يتذكر سبيدينغ لاحقاً: "لم أكن لأختار هذا المكان في الظروف العادية، لكنني كنت يائساً. فكرت: يمكنني الذهاب إلى هناك وتطوير الكيمياء الفيزيائية، وعندما تتوفر فرص عمل حقيقية، يمكنني الانتقال إلى جامعة أخرى." ^{[ ١٥ ]}

تولى سبيدينغ منصب أستاذ مساعد ورئيس قسم الكيمياء الفيزيائية في كلية ولاية أيوا في عام 1937. وقد كانت جهوده في بناء المدرسة ناجحة للغاية لدرجة أنه أمضى بقية حياته المهنية هناك، حيث أصبح أستاذًا للكيمياء في عام 1941، وأستاذًا للفيزياء في عام 1950، وأستاذًا لعلم المعادن في عام 1962، وأخيرًا أستاذًا فخريًا في عام 1973. ^{[ 4 ]}

بحلول فبراير 1942، دخلت الولايات المتحدة الحرب العالمية الثانية، وتصاعدت وتيرة مشروع مانهاتن . في جامعة شيكاغو، أنشأ آرثر إتش. كومبتون مختبر المعادن . وكانت مهمته بناء مفاعلات نووية لإنتاج البلوتونيوم الذي سيُستخدم في القنابل الذرية . ^{[ 16 ]} وللحصول على المشورة بشأن تشكيل قسم الكيمياء في المختبر، استعان كومبتون، وهو فيزيائي، بهيربرت مكوي، ^{[ 17 ]} الذي كان يتمتع بخبرة واسعة في النظائر والعناصر المشعة. رشّح مكوي سبيدينغ كخبير في العناصر الأرضية النادرة، التي كانت متشابهة كيميائيًا مع سلسلة الأكتينيدات التي تشمل اليورانيوم والبلوتونيوم. ^{[ 18 ]} طلب كومبتون من سبيدينغ أن يصبح رئيسًا لقسم الكيمياء في مختبر المعادن. ^{[ 19 ]}

نظراً لضيق المساحة في جامعة شيكاغو، اقترح سبيدينغ تنظيم جزء من قسم الكيمياء في كلية ولاية آيوا في أميس، حيث كان لديه زملاء مستعدون للمساعدة. واتُفق على أن يقضي سبيدينغ نصف كل أسبوع في أميس، والنصف الآخر في شيكاغو. ^{[ 20 ]} كانت أولى المشكلات المطروحة هي إيجاد اليورانيوم للمفاعل النووي الذي كان إنريكو فيرمي يقترح بناءه. كان معدن اليورانيوم الوحيد المتاح تجارياً يُنتجه شركة وستنغهاوس إلكتريك آند مانوفاكتشرينغ ، باستخدام عملية كيميائية ضوئية تُنتج سبائك بحجم ربع دولار تُباع بحوالي 20 دولاراً للغرام. أراد إدوارد كرويتز ، رئيس المجموعة المسؤولة عن تصنيع اليورانيوم، كرة معدنية بحجم برتقالة لتجاربه. باستخدام عملية وستنغهاوس، كانت ستُكلف 200 ألف دولار وتستغرق عاماً كاملاً لإنتاجها. ^{[ 21 ]}

كانت المشكلة الرئيسية الأخرى هي نقاء اليورانيوم. إذ يمكن للشوائب أن تعمل كمواد سامة للنيوترونات وتمنع المفاعل النووي من العمل، لكن أكسيد اليورانيوم الذي أراده فيرمي لمفاعله التجريبي احتوى على كميات كبيرة غير مقبولة من الشوائب. ونتيجة لذلك، أشارت المراجع المنشورة قبل عام 1942 عادةً إلى أن درجة انصهاره تبلغ حوالي 1800 درجة مئوية (3270 درجة فهرنهايت)، بينما ينصهر معدن اليورانيوم النقي فعليًا عند 1132 درجة مئوية (2070 درجة فهرنهايت) . ^{[ 22 ]} وكانت الطريقة الأكثر فعالية لتنقية أكسيد اليورانيوم في المختبر هي الاستفادة من حقيقة أن نترات اليورانيوم قابلة للذوبان في الإيثر . وكان توسيع نطاق هذه العملية للإنتاج الصناعي أمرًا محفوفًا بالمخاطر؛ فالإيثر مادة قابلة للاشتعال، ومن المرجح أن ينفجر مصنع يستخدم كميات كبيرة منه أو يحترق. ولذلك، توجه كومبتون وسبيدينغ إلى شركة مالينكروت في سانت لويس، ميسوري ، التي كانت لديها خبرة في استخدام الإيثر. استعرض سبيدينغ التفاصيل مع مهندسي الكيمياء في شركة مالينكروت، هنري ف. فار وجون ر. روهوف، في 17 أبريل 1942. وفي غضون بضعة أشهر، تم إنتاج ستين طنًا من أكسيد اليورانيوم عالي النقاء. ^{[ 23 ] [ 24 ]}    

استعان سبيدينغ باثنين من أساتذة الكيمياء في مركز أبحاث أميس، وهما هارلي ويلهلم وآي بي جونز، للانضمام إلى فريقه هناك . وبدأ سبيدينغ وويلهلم البحث عن طرق لإنتاج معدن اليورانيوم. في ذلك الوقت، كان يُنتج على شكل مسحوق، وكان شديد الاشتعال التلقائي . كان من الممكن ضغطه وتلبيده وتخزينه في علب، ولكن لكي يكون مفيدًا، كان لا بد من صهره وصبّه. اكتشف فريق أميس أنه يمكن صب اليورانيوم المنصهر في وعاء من الجرافيت . على الرغم من أن الجرافيت كان معروفًا بتفاعله مع اليورانيوم، إلا أنه كان بالإمكان التحكم في هذا التفاعل لأن الكربيد لم يتشكل إلا عند نقطة التلامس بينهما. ^{[ 25 ]}

لإنتاج معدن اليورانيوم، حاولوا اختزال أكسيد اليورانيوم بالهيدروجين، لكن هذه الطريقة لم تنجح. ثم بحثوا في عملية (تُعرف الآن باسم عملية أميس ) طوّرها في الأصل جيه سي جوجينز وآخرون في جامعة نيو هامبشاير عام 1926. وتضمنت هذه العملية خلط رابع كلوريد اليورانيوم ومعدن الكالسيوم في وعاء ضغط فولاذي مُبطّن بأكسيد الكالسيوم (يُعرف باسم "القنبلة") وتسخينه. تمكنوا من إعادة إنتاج نتائج جوجينز في أغسطس 1942، وبحلول سبتمبر، أنتج مشروع أميس سبيكة وزنها 4.980 كيلوغرام (10.98 رطل) . ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} ابتداءً من يوليو 1943، بدأت شركات مالينكروت ويونيون كاربايد ودوبونت بإنتاج اليورانيوم باستخدام عملية أميس، وتوقفت أميس عن إنتاجها بحلول أوائل عام 1945. ونتيجة لذلك، لم ينتقل مختبر أميس إلى شيكاغو، لكن سبيدينغ كان حاضرًا في جامعة شيكاغو في 2 ديسمبر 1942، ليشهد أول تفاعل نووي متسلسل مُتحكم به في مفاعل فيرمي شيكاغو بايل-1 . ^{[ 28 ]} 

طوال فترة الحرب، عقد المختبر جلسات إعلامية منتظمة عُرفت باسم "سبيدينارس". بالإضافة إلى عمله على اليورانيوم، أنتج مختبر أميس 198 كيلوغرامًا من السيريوم عالي النقاء لصنع بوتقات كبريتيد السيريوم التي استخدمها خبراء تعدين البلوتونيوم. أدت المخاوف من محدودية إمدادات اليورانيوم العالمية إلى إجراء تجارب على الثوريوم، الذي يمكن تشعيعه لإنتاج اليورانيوم-233 الانشطاري . طُوّرت عملية اختزال الكالسيوم للثوريوم، وأُنتج منها حوالي 2000 كيلوغرام . ^{[ 29 ]}  

بعد الحرب العالمية الثانية، أسس سبيدينغ معهد الأبحاث الذرية ومختبر أميس التابع لهيئة الطاقة الذرية . وأدار مختبر أميس منذ تأسيسه عام 1947 وحتى عام 1968. ^{[ 4 ]} أُنشئ المختبر في البداية في حرم كلية ولاية أيوا. وشُيِّدت مبانٍ دائمة افتُتحت عامي 1948 و1950، وسُمِّيت لاحقًا بقاعة فيلهلم وقاعة سبيدينغ. ^{[ 30 ]} كان سبيدينغ "معترفًا به عالميًا كواحد من أبرز خبراء العالم في تحديد وفصل العناصر الأرضية النادرة". ^{[ 4 ]} طوّر طريقة التبادل الأيوني لفصل وتنقية العناصر الأرضية النادرة باستخدام راتنجات التبادل الأيوني . ^{[ 31 ] [ 32 ]} استخدم لاحقًا التبادل الأيوني لفصل نظائر العناصر الفردية، بما في ذلك مئات الغرامات من النيتروجين-15 النقي تقريبًا . ^{[ 33 ]}

خلال مسيرته المهنية، نشر سبيدينغ أكثر من 260 بحثًا محكّمًا، ^{[ 4 ]} وحصل على 22 براءة اختراع باسمه وبالاشتراك مع آخرين. وأشرف على نحو 88 طالبًا نالوا درجة الدكتوراه. ^{[ 34 ]} بعد تقاعده عام 1972، ألّف 60 كتابًا. ^{[ 6 ]} حصل على جائزة ويليام إتش. نيكولز من الجمعية الكيميائية الأمريكية عام 1952، وميدالية جيمس دوغلاس الذهبية من المعهد الأمريكي لمهندسي التعدين والمعادن والبترول عام 1961، وميدالية فرانسيس جيه. كلامر من معهد فرانكلين عام 1969. ^{[ 34 ]} رُشِّح عدة مرات لجائزة نوبل في الكيمياء، لكنه لم يفز بها قط. ^{[ 8 ]} تُمنح جائزة تُسمى جائزة فرانك إتش. سبيدينغ في المؤتمر السنوي لأبحاث العناصر الأرضية النادرة. ^{[ 35 ]}

أُصيب سبيدينغ بجلطة دماغية في نوفمبر 1984، ودخل المستشفى، ثم عاد إلى منزله. توفي فجأة في 15 ديسمبر 1984، ^{[ 6 ] [ 8 ]} ودُفن في مقبرة جامعة ولاية آيوا. ^{[ 36 ]} وترك وراءه زوجته وابنته وثلاثة أحفاد. ^{[ 8 ]} تُحفظ أوراقه في قسم المجموعات الخاصة بجامعة ولاية آيوا. ^{[ 4 ]}

• مؤسسة التراث الذري . فرانك سبيدينغ . ملفات تعريفية، قاعدة بيانات قدامى محاربي مشروع مانهاتن.
• كومبتون، آرثر (1956). البحث الذري . نيويورك: مطبعة جامعة أكسفورد. OCLC 173307 . 
• كوربيت، جون د. (2001). "فرانك هارولد سبيدينغ 1902-1982" . مذكرات السيرة الذاتية للأكاديمية الوطنية للعلوم . 80. الأكاديمية الوطنية للعلوم. ISBN 978-0-309-08281-5تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 يونيو 2015 .
• هيوليت، ريتشارد ج .؛ أندرسون، أوسكار إي. (1962). العالم الجديد، 1939-1946 (ملف PDF) . جامعة بارك: مطبعة جامعة ولاية بنسلفانيا. ISBN 0-520-07186-7. OCLC 637004643. تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 مارس 2013 . {{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
• باين، كارولين ستيلتس (1992). مشروع أميس: إدارة البحوث السرية كجزء من مشروع مانهاتن في كلية ولاية آيوا، 1942-1945 (أطروحة دكتوراه). جامعة ولاية آيوا . ورقة بحثية رقم 10338. تاريخ الاطلاع: 29 مايو 2016 .

• أوراق فرانك هـ. سبيدينغ في مكتبات جامعة ولاية أيوا