Сиборг (Seaborg), Гленн Теодор

Американский химик Гленн Теодор Сиборг родился в Ишпеминге (штат Мичиган), в семье механика Германа Теодора Сиборга и Селмы Оливы (Эриксон) Сиборг, шведов по происхождению. Десять лет спустя Сиборг, его отец, мать и сестра переехали на окраину Лос-Анджелеса (штат Калифорния). В местной школе будущий ученый сначала не обнаружил особого интереса к наукам. Все изменилось в средней школе благодаря учителю химии. Деньги на учебу в Калифорнийском университете пришлось зарабатывать. Сиборг был портовым грузчиком, сборщиком абрикосов, сельскохозяйственным рабочим, ассистентом в лаборатории компании по производству каучука и помощником линотиписта. В 1934 г. Сиборг получил в Лос-Анджелесе степень бакалавра наук по химии и перешел в Калифорнийский университет в Беркли, чтобы заниматься ядерной химией у известного химика Джилберта Н. Льюиса. За работу по изучению взаимодействия быстрых нейтронов со свинцом Сиборгу в 1937 г. была присуждена докторская степень. После этого он становится исследователем у Льюиса, а с 1939 г. преподает химию.

Ранние работы Сиборга касались влияния изотопных отклонений на химию элементов. Изотопы представляют собой разновидности одного и того же элемента, атомы которого имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Вместе со своими коллегами Сиборг открыл много новых изотопов обычных элементов. В 1934 г. итальянский физик Энрико Ферми предпринял попытку создания новых элементов, которые были бы тяжелее урана, бомбардируя нейтронами ядра атомов урана. Четыре года спустя в Германии Отто Ган, Фриц Штрасман и Лизе Майтнер, повторив этот эксперимент, получили при бомбардировке нейтронами не более тяжелые (названные трансурановыми) элементы, как ожидали, а деление (расщепление) атомов урана на атомы меньшей массы, что сопровождалось выделением огромного количества энергии. Майтнер и Отто Р. Фриш опубликовали свое открытие в 1939 г. Их работа вдохновила Сиборга на продолжение поисков трансурановых элементов – таких, у которых ядро атома тяжелее ядра атома урана, самого тяжелого из известных в то время элементов.

Один из коллег Сиборга, Эдвин М. Макмиллан, генерировал на циклотроне, имевшемся в радиационной лаборатории Лоуренса в Калифорнийском университете в Беркли, нейтроны (направляя пучок протонов из циклотрона на бериллиевую мишень), которые затем бомбардировали урановую мишень. Макмиллан заметил, что не все подвергшиеся удару нейтронами ядра атомов урана при этом расщепляются. Те ядра, которые захватывали нейтроны, не подвергаясь расщеплению, вели себя так, как предсказывал Ферми: они, подвергаясь бета-распаду, повышали свой атомный номер (число протонов) с 92 до 93 и образовывали новый элемент. Этот новый элемент был назван нептунием – по имени планеты Нептун, чья орбита пролегает за орбитой Урана, в честь которого был назван уран.

В 1941 г. Сиборг, Макмиллан, Эмилио Сегре, Джозеф Кеннеди и Артур Уол обнаружили, что в результате дальнейшего бета-распада нептуний образует элемент с атомным номером 94. Они назвали этот новый элемент плутонием – по имени Плутона, наиболее далекой от Солнца планеты. Было обнаружено, что при бомбардировке медленными нейтронами изотоп плутония-239 подвергается делению, сопровождающемуся высвобождением нейтронов и выделением большого количества энергии. Исследователи пришли к заключению, что эта реакция обладает «необходимым потенциалом для того, чтобы служить наполнителем взрывного устройства ядерной бомбы», как позднее говорил Сиборг. Расщепляемый изотоп урана-233, открытый Сиборгом и его коллегами приблизительно в то же самое время, представлял собой еще один возможный источник делящегося вещества для такого оружия.

В 1939 г., вскоре после начала второй мировой войны, Альберт Эйнштейн и несколько других ученых предупредили правительство США о том, что Германия может предпринять попытку создания атомной бомбы. В ответ на такую возможность в 1942 г. был учрежден Манхэттенский проект. В том же году 30-летний Сиборг берет годичный отпуск в Калифорнийском университете, с тем чтобы присоединиться к Манхэттенскому проекту, работая в металлургической лаборатории Чикагского университета. Здесь он назначается руководителем отдела, занимавшегося разработкой технологии, которая позволила бы осуществлять широкомасштабное разделение плутония и урана. Эта проблема имела большое значение, поскольку в распоряжении ученых имелись лишь микрограммы необходимых веществ (один микрограмм составляет одну миллионную долю грамма). Кроме того, большое химическое сродство между плутонием и ураном делает разделение этих элементов чрезвычайно затруднительным. Сиборг и его коллеги разработали новую технологию, позволяющую проведение экспериментов с малым количеством радиоактивного материала, внедрив, таким образом, экспериментальный метод, известный. ныне как ультрамикрохимический анализ. Плутоний был также обнаружен в природе в очень незначительном количестве в уранините, урановых слюдках и карнотите. В 1944 г. группа Сиборга добилась широкомасштабного отделения плутония от урана и других делящихся радиоактивных частиц. К 1945 г. было получено достаточно плутония, чтобы создать 2 атомные бомбы, которые разрушили японские города Хиросиму и Нагасаки.

Незадолго до конца войны, в 1944 г., Сиборг вернулся к изучению химии трансурановых элементов. Поскольку можно было получить лишь микроскопическое количество нужных веществ, важно было создать основы для предвидения химических свойств новых элементов. В периодической таблице, разработанной в 1869 г. русским химиком Дмитрием Менделеевым, химические элементы располагаются в порядке возрастания атомных номеров. Они образуют ряды и столбцы, причем элементы каждого отдельно взятого столбца имеют схожие химические свойства. Элементы, начиная с 57-го и кончая 71-м, представляют собой тесно связанную группу, которая была первоначально названа группой редкоземельных элементов, а ныне они называются лантаноидами, Сиборг пришел к заключению, что радиоактивные элементы, начиная с 89-го и кончая 94-м (т.е. от актиния до плутония), представляют собой новую серию, аналогичную серии более легких лантаноидов. Это позволило ему предсказать существование элементов 95 и 96, а затем и открыть их. Разделение этих двух элементов оказалось таким трудным делом, что сотрудники лаборатории в шутку называли их «пандемоний» и «дерилий». Когда они были окончательно идентифицированы, элемент 95 был назван америцием, а 96 стал кюрием (в память Пьера Кюри и Марии Кюри).

В 1946 г. В Калифорнийский университет в Беркли Сиборг возвратился в звании полного профессора (оно было присвоено ученому еще в 1945 г., когда тот. находился в отпуске) и продолжил исследование трансурановых элементов в радиационной лаборатории Лоуренса. Сиборг и его коллеги открыли еще несколько элементов, входящих в новую серию актиноидов: берклий (атомный номер 97), калифорний (98), эйнштейний (99), фермий (100), менделевий (101) и нобелий (102). Они открыли также 106-й элемент, названный теперь аннилексием. Работа ученых становилась все труднее и труднее по мере того, как элементы становились все менее стабильными: число протонов и нейтронов в их ядрах возрастало. Другими словами, период полураспада становился все короче по мере увеличения атомной массы. Период полураспада элемента представляет собой время, необходимое для распада половины первоначального количества вещества. Период полураспада наиболее долгоживущего изотопа урана составляет 4 510 млн. лет. Период полураспада 106-го элемента – менее секунды. Короткий срок жизни сверхтяжелых элементов препятствует их синтезу путем постепенного добавления нейтронов. Поэтому исследователи синтезировали их, сталкивая атомные ядра, которые сливались вместе перед распадом. Физики теперь выдвигают теорию, согласно которой само атомное ядро может состоять из оболочек протонов и оболочек нейтронов с возможными «островками относительной стабильности», на которых оболочки, как принято говорить, «заполнены» («закрыты») точно так же, как электроны в атоме группируются в оболочки, «закрытые» для химически устойчивых элементов. Закрытие протоновых и нейтроновых оболочек означает уменьшение радиоактивности и более длительный период полураспада. Если при добавлении в ядро протонов или нейтронов можно добиться условий закрытых оболочек, то может быть создана новая серия сверхтяжелых элементов с достаточно длительным периодом полураспада, чтобы их было удобно идентифицировать и определить их химические свойства.

В 1951 г. Сиборгу совместно с Эдвином М. Макмилланом была присуждена Нобелевская премия по химии «за открытия в области химии трансурановых элементов». В своей вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук А.Ф. Вестгрен заявил, что Сиборг «вписал одну из самых блестящих страниц в историю открытия химических элементов», получив «не менее четырех трансурановых элементов». И добавил: «Предсказание [Нильса] Бора о том, что в лице трансурановых элементов мы будем иметь группу веществ такого же рода, как в лице редкоземельных металлов, таким образом, получило подтверждение».

С 1954 по 1958 г. Сиборг был заместителем директора радиационной лаборатории Лоуренса, одновременно возглавляя ее научно-исследовательскую секцию ядерной химии. В 1958 г. он, отказавшись от дальнейшего ведения исследовательской работы, стал на три года президентом Калифорнийского университета в Беркли. В 1961 г. Сиборг был назначен руководителем Комиссии по атомной энергии. Уйдя в отставку с этого поста в 1971 г., он вернулся в Беркли в качестве профессора химии Калифорнийского университета. Его озабоченность проблемами научного образования привела к тому, что в 1983 г. он стал во главе университетской аспирантуры. В 1942 г. Сиборг женился на Хелен Л. Григгс. У супругов четыре сына и две дочери. В свободное время ученый любил играть в гольф, читать и работать в саду.

Сиборг удостоен многих наград, в их числе награда Энрико Ферми Комиссии по атомной энергии США (1959), медаль Франклина Франклиновского института (1963) и медаль Пристли Американского химического общества (1979). Ученый – член американской Национальной академии наук, американских химического, физического и ядерного обществ и Американской ассоциации содействия развитию науки, а также иностранный член 10 национальных академий наук (в т.ч. Академии наук СССР). Ему были присвоены почетные степени более чем 40 университетов. Талантливый администратор и политик, Сиборг принимал активное участие в работе многих организаций, связанных с наукой, образованием, формированием телевизионных передач и их влиянием на общество.