Нобелевские лауреаты в области неорганической химии

§7Фредерик Содди

2 октября1877 – 22 октября 1956 
Нобелевская премия по химии, 1921 г.

Английский  химик Фредерик Содди родился в Истборне. У Содди рано проявился интерес к науке, и научный наставник в Истборн-колледже посоветовал ему поступить в Оксфордский университет, чтобы изучать химию. В 1895 г. он был принят в Мертон-колледж Оксфордского университета и получил научную стипендию.

      В 1900 г. Содди занял должность ассистента профессора химии в Макгиллском  университете в Монреале. Здесь он совместно с Эрнестом Резерфордом работал над решением проблемы радиоактивности. Эта проблема относилась к основам теоретической химии, заложенным в 1869 г. русским химиком Дмитрием Менделеевым. Менделеев расположил известные тогда химические элементы в периодической таблице, составленной им на основании следующего принципа: устойчивые элементы были выстроены в определенном порядке, где они отличались друг от друга только атомной массой. Дальнейшие исследования обнаружили, однако, загадочное нарушение порядка среди некоторых элементов, особенно радиоктивных. Они оказались неустойчивыми и превращались в элементы, которые, казалось, «выпадали» из таблицы. Резерфорд и Содди совместно разработали теорию распада радиоактивных элементов. В соответствии с этой теорией несколько самых тяжелых элементов обретают устойчивость, выбрасывая небольшие, но в достаточной степени разрозненные единицы массы, заряда и энергии из своих ядер в виде альфа-, бета- и гамма-излучений. В процессе радиоактивного распада образуются другие элементы. Возвратившись в 1903 г. в Англию, Содди работал с Рамзаем, продолжая в то же время свои исследования в Университетском колледже в Лондоне. Занимаясь изучением радиоактивного распада радия, он экспериментально доказал содержавшееся в его теории научное предвидение, что в результате распада радия образуется гелий. Это был первый документально подтвержденный случай образования одного элемента из другого.

      В 1904 г. Содди начал читать лекцию по физической химии и радиоактивности  в университете Глазго. Там он, проведя  ряд экспериментов, показал, что  радий образуется в результате постепенного распада атомов урана. Таким образом, Содди выдвинул предположение, что в ходе этого превращения должен образоваться промежуточный элемент. Справедливость гипотезы Содди подтвердил в 1906 г. американский физик Бертран Болтвуд, который назвал этот элемент ионием.

      В годы своей исследовательской работы в Глазго Содди изучал свойства тех  радиоактивных элементов, которые  можно отделить друг от друга с  помощью обычных химических средств. В 1910 г. он пришел к заключению, что  «элементы с различной атомной  массой могут обладать одинаковыми химическими свойствами». В течение последующих двух лет ученый расширил рамки своих опытов, включив в них нерадиоактивные элементы. В 1913 г. Содди выдвинул концепцию изотопов атомов одного и того же элемента, которые отличаются друг от друга физическими свойствами. Все изотопы одного элемента занимают в периодической таблице одно и тоже место (термин «изотоп» означает «одинаковое место»), но обладают разной атомной массой. Период работы в университете Глазго был для ученого поистине продуктивным. Именно в это время Содди сформулировал закон радиоактивного смещения, который утверждает, что при изучении альфа-частиц происходит превращение одного элемента в изотоп другого элемента, расположенного на два места ниже в периодической таблице, а бета излучение вызывает смещение на одно место выше. Правило смещения дало возможность предсказывать последовательность распада многих радиоактивных элементов, определяя образующиеся таким образом элементы на основе того или иного вида излучения и включая их в периодическую таблицу.

      В 1921 г. Содди была присуждена Нобелевская  премия по химии «за вклад в  химию радиоактивных веществ  и за проведенное им исследование природы и происхождения изотопов». В своей Нобелевской лекции «Происхождение концепции изотопов» Содди оценил свой труд как всего лишь «небольшую часть той значительной новаторской работы во многих областях», которая была проведена за последние 20 лет. Он также выразил благодарность Резерфорду за то, что тот приобщил его к проблемам радиоактивности в самом начале его научной карьеры, когда он работал в Монреале[4].

§8 Гарольд Клейтон Юри

29 апреля 1893 г. – 5 января 1981 г. 
Нобелевская премия по химии, 1934 г.

Американский  химик Гарольд Клейтон Юри  родился в Уолкертоне.

      Несмотря  на то что учение давалось Юри с трудом, он в 1911 г. получил диплом об окончании средней школы. В 1914 г. он поступил в Монтанский университет, занимаясь там главным образом зоологией и немного химией. Получив три года спустя степень бакалавра естественных наук, Юри пошел работать химиком-исследователем в «Барретт кемикл компани» в Филадельфии. Однако, разочаровавшись в промышленной химии, он в 1919 г. вернулся в Монтанский университет преподавателем химии.

      Юри поставил перед собой задачу выделить такой изотоп, который был бы вдвое тяжелее обычного водорода. Сначала ученый решил получить нужное для опытов количество водорода с высокой концентрацией предполагаемого изотопа. Основываясь на расчетах, Юри разработал процесс дистилляции жидкого водорода, при котором более легкие изотопы испарялись бы быстрее, чем тяжелые. По просьбе Юри один из его бывших студентов, Фердинанд Брикведд, который к тому времени стал ученым и находился на правительственной службе, достал Юри необходимое для этого процесса количество водорода. Тем временем тот рассчитал вероятную спектральную линию тяжелого изотопа. Вместе со своим помощником Джорджем Мерфи Юри, проанализировав спектры газообразного водорода, обнаружил слабые линии там, где и предполагал появление спектральных линий искомого изотопа. Подвергнув анализу более концентрированный водород, он без труда нашел вычисленные ранее линии и, таким образом, подтвердил существование изотопа. В декабре 1931 г. Юри объявил о своем открытии, назвав этот второй по легкости атом дейтерием. Он предложил также название «третий» для открытого вслед за этим другого изотопа водорода, масса которого в три раза превышает массу водорода.

      Дейтерий  представлял собой очень удобный  образец для физиков и химиков, изучавших взаимодействие частиц ядра атома, и его открытие ускорило процесс изучения изотопов. Он также явился ценным материалом для проведения других исследований. Так, дейтерий может заменять водород в молекулах воды, в результате чего образуется так называемая тяжелая вода, которая применяется в качестве замедлителя в ядерных реакторах, а его слияние с тритием приводит к термоядерной реакции в водородной бомбе.

      В 1934 г. Юри была присуждена Нобелевская  премия по химии «за открытие тяжелого водорода». Он не присутствовал на церемонии награждении, но три месяца спустя прочел Нобелевскую лекцию в Стокгольме[5].

§9 Фредерик и Ирен Жолио-Кюри

19 марта 1900 г. – 14 августа 1958 г. 
Нобелевская премия по химии, 1935 г.

Французский физик Жан Фредерик Жолио родился в Париже. . Решив посвятить себя научной карьере, Жолио в 1920 г. поступил в Высшую школу физики и прикладной химии в Париже и через три года окончил ее лучше всех в группе.

В 1926 году он женился на Ирен Кюри.

12 сентября 1897 г. – 17 марта 1956 г. 
Нобелевская премия по химии, 1935 г.

Французский физик Ирен Жолио-Кюри родилась в Париже.

В возрасте 10 лет, за год до смерти отца, Ирен Кюри начала заниматься в кооперативной  школе, организованной матерью и  несколькими ее коллегами, в т.ч. физиками Полем Ланжевеном и Жаном Перреном, которые также преподавали в этой школе. Два года спустя она поступила в коллеж Севине, окончив его накануне первой мировой войны. Ирен продолжила свое образование в Парижском университете.

        В 1930 г. немецкий физик Вальтер Боте обнаружил, что некоторые легкие элементы испускают мощную радиацию при бомбардировке их альфа-частицами. Заинтересовавшись проблемами, которые возникли в результате этого открытия, супруги Жолио-Кюри приготовили особенно мощный источник полония для получения альфа-частиц и применили сконструированную Жолио чувствительную конденсационную камеру, с тем чтобы фиксировать проникающую радиацию, которая возникала таким образом.

Они обнаружили, что когда между бериллием  или бором и детектором помещается пластинка водородсодержащего вещества, то наблюдаемый уровень радиации увеличивается почти вдвое. Супруги Жолио-Кюри объяснили возникновение этого эффекта тем, что проникающая радиация выбивает отдельные атомы водорода, придавая им огромную скорость. Несмотря на то что ни Ирен, ни Фредерик, не поняли сути этого процесса, проведенные ими тщательные измерения проложили путь для открытия в 1932 г. Джеймсом Чедвиком нейтрона – электрически нейтральной составной части большинства атомных ядер.

      Продолжая исследования, супруги Жолио-Кюри пришли к своему самому значительному открытию. Подвергая бомбардировке альфа-частицами  бор и алюминий, они изучали  выход позитронов (положительно заряженных частиц, которые во всех остальных  отношениях напоминают отрицательно заряженные электроны), впервые открытых в 1932 г. американским физиком Карлом Д. Андерсоном. Закрыв отверстие детектора тонким слоем алюминиевой фольги, они облучили образцы алюминия и бора альфа-частицами. К их удивлению, выход позитронов продолжался в течение нескольких минут после того, как был удален полониевый источник альфа-частиц. Позднее Жолио-Кюри пришли к убеждению, что часть алюминия и бора в подвергнутых анализу образцах превратилась в новые химические элементы. Более того, эти новые элементы были радиоактивными: поглощая 2 протона и 2 нейтрона альфа-частиц, алюминий превратился в радиоактивный фосфор, а бор – в радиоактивный изотоп азота. В течение непродолжительного времени Жолио-Кюри получили много новых радиоактивных элементов.

      В 1935 г. Ирен Жолио-Кюри и Фредерику  Жолио совместно была присуждена Нобелевская премия по химии «за  выполненный синтез новых радиоактивных элементов»[5].

§10 Уиллард Франк Либби

 17 декабря 1908 г. – 8 сентября 1980 г. 
Нобелевская премия по химии, 1960 г.

Американский  химик Уиллард Франк Либби родился в Гранд-Валли. Либби в 1926 г. окончил среднюю школу. Изучив химию, физику и математику, Либби в 1931 г. получил степень бакалавра по химии. Два года спустя, Либби была присуждена докторская степень и он был назначен преподавателем химии.

      В декабре 1941 года в рамках Манхэттенского проекта Либби разрабатывал технологию газовой диффузии для разделения изотопов урана, что было необходимо для создания атомной бомбы. В конце второй мировой войны он стал полным профессором химического факультета Чикагского университета, где, кроме того, проводил изыскания в университетском Институте ядерных исследований.

В 1939 г. Серж Корф, работающий в Нью-Йоркском университете, обнаружил, что, когда  космические лучи пронизывают атомы в верхних слоях атмосферы, они вызывают поток нейтронов. Другие факты указывали на то, что азот, из которого приблизительно на 80 процентов состоит атмосфера, легко поглощает нейтроны и затем распадается на радиоактивный углерод, называемый также радиоуглеродом, или углеродом-14. Либби выдвинул теорию, согласно которой бомбардировка космическими лучами вызывает превращение атмосферного азота в радиоактивный углерод. Он быстро окисляется в воздухе до диоксида углерода и поглощается растениями путем фотосинтеза. Любой организм, потребляющий эти растения, поглощает вместе с ними радиоактивные атомы углерода. Либби предположил, что радиоактивный углерод генерируется с постоянной скоростью и что, однажды попав в молекулу, он в ней остается. Отсюда ученый пришел к заключению, что все живые существа обладают постоянным уровнем радиоактивности, который падает после смерти организма. Продолжительность жизни радиоактивного изотопа определяется периодом его полураспада – отрезком времени, необходимым для распада половины данного количества вещества. Как установил в 1940 г. Мартин Кеймен, период полураспада углерода-14 равен 5730 годам – довольно короткий промежуток времени по сравнению с возрастом Земли, однако достаточно долгий для установления равновесия в процессе образования и распада углерода-14. Либби пришел к выводу, что «должна существовать возможность путем измерения оставшейся радиоактивности измерять время, которое прошло с момента смерти, если она произошла в период от 500 до 30 тыс. лет тому назад».

      Для проверки своей гипотезы Либби сконструировал счетчик Гейгера, стенки которого были утолщены двадцатисантиметровым слоем  железа для поглощения земной радиации. Такой счетчик Гейгера регистрирует космические лучи, проникающие через  утолщенные стенки. Как и при проведении исследований в ходе подготовки докторской диссертации, гейгеровский счетчик с утолщенными стенками регистрировал проникающие частицы, центральный же счетчик для измерения радиоактивности анализируемого образца включался на одну тысячную доли секунды. Максимальная чувствительность к радиоактивности, испускаемой датируемым образцом, достигается путем помещения чистого углерода на внутреннюю стенку чувствительного детектора. Позднее Либби обнаружил, что чувствительность детектора при этом методе еще больше повышается, если углерод берется в виде газа – либо углекислого газа, либо ацетилена. В одном триллионе атомов углерода обнаруживается приблизительно один радиоактивный атом. Либби проверил точность этого метода, измерив радиоактивность образцов красного дерева и пихты, точный возраст которых был установлен путем подсчета годовых колец. Он также подверг экспериментальному анализу извлеченные при археологических раскопках предметы, возраст которых был уже известен, – такие, как кусок дерева от погребальной лодки египетского фараона. Либби получил блестящее подтверждение своей теории, и изобретенный им метод датирования стал широко применяться в археологии и геологии. Метод углеродного датирования быстро получил признание в качестве основного способа установления дат событий, которые произошли в последние 70 тыс. лет. В 1960 г. Либби была присуждена Нобелевская премия по химии «за введение метода использования углерода-14 для определения возраста в археологии, геологии, геофизике и других областях науки[6].

§11 Ричард Смелли

Родился 6 июня 1943 в г. В 1961 Смелли поступил учиться в Хоуп-колледж в Холланде, а для продолжения образования перевелся в Мичиганский университет в Энн-Арборе.

      После окончания университета осенью 1965 начал  работать химиком на заводе компании «Шелл» по производству полипропилена в Вудбар. Спустя два года перешел в Технический центр пластиков, расположенный там же, и занимался анализом полиолефинов и материалов, используемых в их производстве, модификации и переработке.

      Его заинтересовала квантовая химия, и  осенью 1969 он поступил в Принстонский университет, который закончил в 1971 и продолжил работу над диссертацией. Он оказался в группе спектроскописта  Эллиота Бернстайна. Работа была связана с микроволновым спектральным исследованием кристаллов 1,3,5-триазина, гетероциклического аналога бензола. В 1973 защитил диссертацию.