Das Leben ist kein Wunder. Es ist ein natürliches Phänomen und kann überall dort erwartet werden, wo es einen Planeten gibt, dessen Bedingungen denen der Erde entsprechen.
Harold Clayton Urey war ein amerikanischer Physikochemiker, dessen Pionierarbeit zu Isotopen ihm 1934 den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung von Deuterium einbrachte. Er spielte eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung der Atombombe und trug auch zu Theorien über die Entwicklung organischen Lebens aus toter Materie bei.
Urey, geboren in Walkerton, Indiana, studierte Thermodynamik unter Gilbert N. Lewis an der University of California, Berkeley. Nach seinem PhD 1923 erhielt er ein Stipendium der American-Scandinavian Foundation, um am Niels Bohr Institut in Kopenhagen zu studieren. Er war Forschungsassistent an der Johns Hopkins University, bevor er zum außerordentlichen Professor für Chemie an der Columbia University wurde. 1931 begann er mit der Arbeit zur Isotopentrennung, die zur Entdeckung von Deuterium führte.
Während des Zweiten Weltkriegs wandte Urey sein Wissen über Isotopentrennung dem Problem der Uranbereicherung zu. Er leitete die Gruppe an der Columbia University, die Isotopentrennung durch Gasdiffusion entwickelte. Die Methode wurde erfolgreich entwickelt und wurde zur einzigen Methode in der frühen Nachkriegszeit. Nach dem Krieg wurde Urey Professor für Chemie am Institut für Kernstudien und später Ryerson-Professor für Chemie an der University of Chicago.
Urey spekulierte, dass die frühe irdische Atmosphäre aus Ammoniak, Methan und Wasserstoff bestand. Einer seiner Chicagoer Doktoranden war Stanley L. Miller, der im Miller–Urey-Experiment zeigte, dass eine solche Mischung, wenn sie elektrischen Funken und Wasser ausgesetzt wird, interagieren kann, um Aminosäuren zu produzieren, die allgemein als Bausteine des Lebens betrachtet werden. Die Arbeit mit Sauerstoffisotopen führte zur Begründung des neuen Feldes der Paläoklimaforschung. 1958 akzeptierte er eine Stelle als Professor at Large an der neuen University of California, San Diego UCSD, wo er half, die naturwissenschaftliche Fakultät aufzubauen. Er war einer der Gründungsmitglieder der Chemieschule von UCSD, die 1960 gegründet wurde. Er interessierte sich zunehmend für Weltraumwissenschaften und als Apollo 11 Mondgesteinsproben vom Mond zurückbrachte, untersuchte Urey sie im Lunar Receiving Laboratory. Der Mondastronaut Harrison Schmitt sagte, dass Urey sich ihm als Freiwilliger für eine Einwegmission zum Mond näherte und erklärte: „Ich werde gehen, und es ist mir egal, ob ich nicht zurückkomme."
Frühen Jahren
Harold Clayton Urey wurde am 29. April 1893 in Walkerton, Indiana geboren, als Sohn von Samuel Clayton Urey, einem Schullehrer und Minister der Church of the Brethren, und seiner Frau Cora Rebecca geb. Reinoehl. Er hatte einen jüngeren Bruder, Clarence, und eine jüngere Schwester, Martha. Die Familie zog nach Glendora, Kalifornien, nachdem Samuel schwer an Tuberkulose erkrankt war, in der Hoffnung, dass das Klima seine Gesundheit verbessern würde. Als klar wurde, dass er sterben würde, zog die Familie zurück nach Indiana, um bei Coras verwitweter Mutter zu leben. Samuel starb, als Harold Urey sechs Jahre alt war.
Urey besuchte eine Amischen Grundschule, die er im Alter von 14 Jahren abschloss. Anschließend besuchte er die High School in Kendallville, Indiana. Nach seinem Abschluss 1911 erhielt er ein Lehrerzertifikat vom Earlham College und unterrichtete in einem kleinen Schulhaus in Indiana. Er zog später nach Montana, wo seine Mutter damals lebte, und setzte sein Unterrichten dort fort.
Urey trat im Herbst 1914 in die University of Montana in Missoula ein. Im Gegensatz zu östlichen Universitäten der damaligen Zeit war die University of Montana in Schülern und Lehrern koedukativ. Dort erwarb Urey 1917 einen Bachelor of Science-Abschluss in Zoologie.
Als Folge des Eintritts der Vereinigten Staaten in den Ersten Weltkrieg in diesem Jahr gab es starken Druck, die Kriegsanstrengungen zu unterstützen. Urey war in einer religiösen Sekte aufgewachsen, die Krieg ablehnte. Einer seiner Professoren schlug vor, dass er die Kriegsanstrengungen unterstützen könne, indem er als Chemiker arbeite. Urey nahm eine Stelle bei der Barrett Chemical Company in Philadelphia an, um TNT herzustellen, anstatt als Soldat in die Armee einzutreten. Nach dem Krieg kehrte er als Instruktor für Chemie an die University of Montana zurück.
Eine akademische Karriere erforderte einen Doktortitel, also meldete sich Urey 1921 an der University of California, Berkeley für ein PhD-Programm an, wo er Thermodynamik unter Gilbert N. Lewis studierte. Sein erster Versuch einer These war über die Ionisierung von Cäsiumdampf. Er stieß auf Schwierigkeiten, und Meghnad Saha veröffentlichte einen besseren Artikel zum gleichen Thema. Urey schrieb dann seine These über die Ionisationszustände eines idealen Gases, die anschließend im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde. Nach seinem PhD 1923 erhielt Urey ein Stipendium der American-Scandinavian Foundation, um am Niels Bohr Institut in Kopenhagen zu studieren, wo er Werner Heisenberg, Hans Kramers, Wolfgang Pauli, Georg von Hevesy und John Slater traf. Am Ende seines Aufenthalts reiste er nach Deutschland, wo er Albert Einstein und James Franck traf.
Nach seiner Rückkehr in die Vereinigten Staaten erhielt Urey ein Angebot für ein National Research Council-Stipendium an der Harvard University und erhielt auch ein Angebot, Forschungsassistent an der Johns Hopkins University zu sein. Er wählte letzteres. Bevor er die Stelle antrat, reiste er nach Seattle, Washington, um seine Mutter zu besuchen. Unterwegs hielt er in Everett, Washington, wo er eine Frau namens Kate Daum kannte. Kate stellte Urey ihrer Schwester Frieda vor. Urey und Frieda wurden bald verlobt. Sie heirateten 1926 im Haus ihres Vaters in Lawrence, Kansas. Das Paar hatte vier Kinder: Gertrude Bessie Elisabeth, geboren 1927; Frieda Rebecca, geboren 1929; Mary Alice, geboren 1934; und John Clayton Urey, geboren 1939.
An Johns Hopkins schrieben Urey und Arthur Ruark Atoms, Quanta and Molecules 1930, einer der ersten englischen Texte zur Quantenmechanik und ihrer Anwendung auf Atom- und Molekülsysteme. 1929 wurde Urey außerordentlicher Professor für Chemie an der Columbia University, wo seine Kollegen Rudolph Schoenheimer, David Rittenberg und T. I. Taylor waren.
Deuterium
In den 1920er Jahren entdeckten William Giauque und Herrick L. Johnston die stabilen Isotope von Sauerstoff. Isotope waren zu dieser Zeit nicht gut verstanden; James Chadwick würde das Neutron erst 1932 entdecken. Zwei Systeme wurden zu ihrer Klassifizierung verwendet, basierend auf chemischen und physikalischen Eigenschaften. Letzteres wurde mit dem Massenspektrograph bestimmt. Da bekannt war, dass das Atomgewicht von Sauerstoff fast genau 16-mal schwerer als Wasserstoff war, hypothetisierten Raymond Birge und Donald Menzel, dass Wasserstoff auch mehr als ein Isotop hatte. Basierend auf dem Unterschied zwischen den Ergebnissen der beiden Methoden, sagten sie voraus, dass nur ein Wasserstoffatom in 4.500 das schwere Isotop war.
1931 machte sich Urey auf die Suche danach. Urey und George Murphy berechneten aus der Balmer-Serie, dass das schwere Isotop Linien haben sollte, die um 1,1 bis 1,8 Ångström 1,1×10⁻¹⁰ bis 1,8×10⁻¹⁰ Meter rotvershoben sind. Urey hatte Zugang zu einem 21-Fuß-Gitterspectrographen (6,4 m), einem empfindlichen Gerät, das gerade an der Columbia installiert worden war und die Balmer-Serie auflösen konnte. Mit einer Auflösung von 1 Å pro Millimeter hätte die Maschine einen Unterschied von etwa 1 Millimeter erzeugen sollen. Da jedoch nur ein Atom in 4.500 schwer war, war die Linie im Spectrographen sehr schwach. Urey beschloss daher, die Veröffentlichung der Ergebnisse zu verschieben, bis er aussagekräftigere Beweise dafür hatte, dass es sich um schweren Wasserstoff handelte.
Urey und Murphy berechneten anhand des Debye-Modells, dass das schwere Isotop einen leicht höheren Siedepunkt als das leichte hätte. Durch sorgfältiges Erwärmen von flüssigem Wasserstoff könnten 5 Liter flüssiger Wasserstoff zu 1 Milliliter destilliert werden, das um das 100- bis 200-fache mit dem schweren Isotop angereichert würde. Um fünf Liter flüssigen Wasserstoff zu erhalten, reisten sie zum Kryogenik-Labor des National Bureau of Standards in Washington, D.C., wo sie die Hilfe von Ferdinand Brickwedde erhielten, den Urey von Johns Hopkins kannte.
Die erste Probe, die Brickwedde schickte, wurde bei 20 K −253,2 °C; −423,7 °F bei einem Druck von 1 Standardatmosphäre 100 kPa verdampft. Zu ihrer Überraschung zeigte dies keine Anzeichen von Anreicherung. Brickwedde bereitete dann eine zweite Probe vor, die bei 14 K −259,1 °C; −434,5 °F bei einem Druck von 53 mmHg 7,1 kPa verdampft wurde. Auf dieser Probe waren die Balmer-Linien für schweren Wasserstoff siebenmal so intensiv. Das Papier, das die Entdeckung von schweren Wasserstoff ankündigte, später Deuterium genannt, wurde 1932 gemeinsam von Urey, Murphy und Brickwedde veröffentlicht. Urey erhielt 1934 den Nobelpreis für Chemie „für seine Entdeckung von schweren Wasserstoff". Er lehnte es ab, an der Zeremonie in Stockholm teilzunehmen, damit er bei der Geburt seiner Tochter Mary Alice anwesend sein konnte.
In Zusammenarbeit mit Edward W. Washburn vom Bureau of Standards entdeckte Urey anschließend den Grund für die abnormale Probe. Brickweddes Wasserstoff war durch Elektrolyse von Wasser getrennt worden, was zu einer verarmten Probe führte. Darüber hinaus berichtete Francis William Aston jetzt, dass sein berechneter Wert für das Atomgewicht von Wasserstoff falsch war, wodurch Birges und Menzels ursprüngliche Begründung ungültig wurde. Die Entdeckung von Deuterium blieb jedoch bestehen.
Urey und Washburn versuchten, Elektrolyse zu verwenden, um reines schweres Wasser herzustellen. Ihre Technik war solide, aber sie wurden 1933 von Lewis übertroffen, der die Ressourcen der University of California zur Verfügung hatte. Mit der Born–Oppenheimer-Näherung berechneten Urey und David Rittenberg die Eigenschaften von Gasen, die Wasserstoff und Deuterium enthielten. Sie erweiterten dies auf die Anreicherung von Verbindungen von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Diese könnten als Tracer in der Biochemie verwendet werden, was einen völlig neuen Weg zur Untersuchung chemischer Reaktionen ergab. Er gründete 1932 das Journal of Chemical Physics und war sein erster Redakteur und diente in dieser Funktion bis 1940.
An der Columbia leitete Urey die University Federation for Democracy and Intellectual Freedom. Er unterstützte den Atlantisten Clarence Streit's Vorschlag für eine föderale Union der wichtigsten Demokratien der Welt und die republikanische Sache während des Spanischen Bürgerkriegs. Er war ein früher Gegner des deutschen Nationalsozialismus und half Flüchtlingswissenschaftlern, einschließlich Enrico Fermi, indem er ihnen half, Arbeit in den Vereinigten Staaten zu finden und sich an das Leben in einem neuen Land anzupassen.
Manhattan Project
Bis zum Ausbruch des Zweiten Weltkriegs in Europa 1939 war Urey ein anerkannter Weltexperte für Isotopentrennung. Bislang hatte die Trennung nur die leichten Elemente betroffen. 1939 und 1940 veröffentlichte Urey zwei Arbeiten über die Trennung schwererer Isotope, in denen er Zentrifugaltrennung vorschlug. Dies wurde von großer Bedeutung aufgrund der Spekulation von Niels Bohr, dass Uran 235 spaltbar war. Da es als „sehr zweifelhaft angesehen wurde, ob eine Kettenreaktion ohne Trennung von 235 vom Rest des Urans etabliert werden kann", begann Urey intensive Studien darüber, wie Uranbereicherung erreicht werden könnte. Neben Zentrifugaltrennung schlug George Kistiakowsky vor, dass Gasdiffusion eine mögliche Methode sein könnte. Eine dritte Möglichkeit war thermische Diffusion. Urey koordinierte alle Isotopenteilungsforschungsanstrengungen, einschließlich der Anstrengung, schweres Wasser herzustellen, das als Neutronenmoderator in Kernreaktoren verwendet werden könnte.
Im Mai 1941 wurde Urey zum Committee on Uranium ernannt, das das Uranprojekt im Rahmen des National Defense Research Committee NDRC überwachte. 1941 führten Urey und George B. Pegram eine diplomatische Mission nach England an, um die Zusammenarbeit bei der Entwicklung der Atombombe zu etablieren. Die Briten waren optimistisch über Gasdiffusion, aber es war klar, dass beide Gassperrverfahren erhebliche technische Hindernisse zu überwinden hatten. Im Mai 1943, als das Manhattan Project an Dynamik gewann, wurde Urey zum Leiter der Wartime Substitute Alloy Materials Laboratories SAM Laboratories an der Columbia, die für das schwere Wasser und alle Isotopen-Anreicherungsprozesse außer Ernest Lawrences elektromagnetischem Prozess verantwortlich waren.
Frühe Berichte über die Zentrifugalmethode deuteten darauf hin, dass sie nicht so effizient wie vorhergesagt war. Urey schlug vor, dass statt der bisherigen Durchflussmethode ein effizienteres, aber technisch komplizierteres Gegenstromsystem verwendet werden sollte. Bis November 1941 schienen technische Hindernisse formidabel genug zu sein, um den Prozess zu verlassen. Gegenstrom-Zentrifugen wurden nach dem Krieg entwickelt und sind heute die bevorzugte Methode in vielen Ländern.
Der Gasdiffusionsprozess blieb ermutigender, obwohl auch er technische Hindernisse zu überwinden hatte. Bis Ende 1943 hatte Urey über 700 Menschen für sich an der Gasdiffusion arbeiten. Der Prozess bestand aus Hunderten von Kaskaden, in denen ätzender Uranhexafluorid durch Gasbarrieren diffundierte und in jeder Stufe progressiv stärker angereichert wurde. Ein großes Problem war es, geeignete Dichtungen für die Pumpen zu finden, aber bei weitem die größte Schwierigkeit lag in der Konstruktion einer geeigneten Diffusionsbarriere. Der Bau der riesigen K-25-Gasdiffusionsanlage war bereits im Gange, bevor eine geeignete Barriere 1944 in ausreichender Menge verfügbar wurde. Als Backup förderte Urey die thermische Diffusion.
Erschöpft von der Anstrengung verließ Urey das Projekt im Februar 1945 und übergab seine Verantwortung an R. H. Crist. Die K-25-Anlage nahm im März 1945 den Betrieb auf und als die Fehler behoben wurden, betrieb die Anlage mit bemerkenswerter Effizienz und Wirtschaft
