Harold Urey

La vida no es un milagro. Es un fenómeno natural y puede esperarse que aparezca siempre que haya un planeta cuyas condiciones dupliquen las de la tierra.

Harold Clayton Urey fue un químico físico estadounidense cuyo trabajo pionero sobre isótopos le valió el Premio Nobel de Química en 1934 por el descubrimiento del deuterio. Jugó un papel significativo en el desarrollo de la bomba atómica, además de contribuir a teorías sobre el desarrollo de la vida orgánica a partir de materia no viviente.

Nacido en Walkerton, Indiana, Urey estudió termodinámica bajo Gilbert N. Lewis en la Universidad de California, Berkeley. Después de recibir su doctorado en 1923, fue galardonado con una beca de la Fundación Estadounidense-Escandinava para estudiar en el Instituto Niels Bohr en Copenhague. Fue asociado de investigación en la Universidad Johns Hopkins antes de convertirse en profesor asociado de Química en la Universidad de Columbia. En 1931, comenzó a trabajar en la separación de isótopos que resultó en el descubrimiento del deuterio.

Durante la Segunda Guerra Mundial, Urey aplicó su conocimiento de la separación de isótopos al problema del enriquecimiento de uranio. Encabezó el grupo ubicado en la Universidad de Columbia que desarrolló la separación de isótopos mediante difusión gaseosa. El método fue desarrollado exitosamente, convirtiéndose en el único método utilizado en el período de posguerra temprana. Después de la guerra, Urey se convirtió en profesor de química en el Instituto para Estudios Nucleares, y más tarde profesor Ryerson de química en la Universidad de Chicago.

Urey especuló que la atmósfera terrestre primitiva estaba compuesta por amoníaco, metano e hidrógeno. Uno de sus estudiantes de postgrado en Chicago fue Stanley L. Miller, quien demostró en el experimento Miller–Urey que, si tal mezcla fuera expuesta a chispas eléctricas y agua, podría interactuar para producir aminoácidos, comúnmente considerados los bloques de construcción de la vida. El trabajo con isótopos de oxígeno llevó a ser pionero en el nuevo campo de la investigación paleoclimática. En 1958, aceptó un puesto como profesor distinguido en la nueva Universidad de California, San Diego UCSD, donde ayudó a crear la facultad de ciencias. Fue uno de los miembros fundadores de la escuela de química de UCSD, que fue creada en 1960. Se interesó cada vez más en la ciencia espacial, y cuando Apollo 11 regresó con muestras de rocas lunares de la luna, Urey las examinó en el Laboratorio de Recepción Lunar. El astronauta lunar Harrison Schmitt dijo que Urey se le acercó como voluntario para una misión de ida a la Luna, afirmando "Iré, y no me importa si no regreso."

Primeros años

Harold Clayton Urey nació el 29 de abril de 1893, en Walkerton, Indiana, hijo de Samuel Clayton Urey, un maestro de escuela y ministro en la Iglesia de los Hermanos, y su esposa Cora Rebecca née Reinoehl. Tenía un hermano menor, Clarence, y una hermana menor, Martha. La familia se mudó a Glendora, California después de que Samuel enfermó gravemente de tuberculosis, con la esperanza de que el clima mejorara su salud. Cuando quedó claro que moriría, la familia se mudó de vuelta a Indiana para vivir con la madre viuda de Cora. Samuel murió cuando Harold Urey tenía seis años.

Urey fue educado en una escuela primaria Amish, de la que se graduó a los 14 años. Luego asistió a la escuela secundaria en Kendallville, Indiana. Después de graduarse en 1911, obtuvo un certificado de maestro del Earlham College, y enseñó en una pequeña escuela en Indiana. Más tarde se mudó a Montana, donde estaba viviendo su madre, y continuó enseñando allí.

Urey ingresó a la Universidad de Montana en Missoula en el otoño de 1914. A diferencia de las universidades orientales de la época, la Universidad de Montana era coeducativa tanto en estudiantes como en profesores. Allí Urey obtuvo un grado de Licenciatura en Ciencias BS en zoología en 1917.

Como resultado de la entrada de Estados Unidos en la Primera Guerra Mundial ese año, hubo una fuerte presión para apoyar el esfuerzo bélico. Urey había sido criado en una secta religiosa que se oponía a la guerra. Uno de sus profesores le sugirió que apoyara el esfuerzo de guerra trabajando como químico. Urey consiguió un trabajo con la Compañía Química Barrett en Filadelfia, fabricando TNT, en lugar de unirse al ejército como soldado. Después de la guerra, regresó a la Universidad de Montana como instructor de Química.

Una carrera académica requería un doctorado, así que en 1921 Urey se inscribió en un programa de doctorado en la Universidad de California, Berkeley, donde estudió termodinámica bajo Gilbert N. Lewis. Su primer intento de tesis fue sobre la ionización del vapor de cesio. Encontró dificultades, y Meghnad Saha publicó un mejor artículo sobre el mismo tema. Urey luego escribió su tesis sobre los estados de ionización de un gas ideal, que fue posteriormente publicada en el Astrophysical Journal. Después de recibir su doctorado en 1923, Urey fue galardonado con una beca de la Fundación Estadounidense-Escandinava para estudiar en el Instituto Niels Bohr en Copenhague, donde conoció a Werner Heisenberg, Hans Kramers, Wolfgang Pauli, Georg von Hevesy, y John Slater. Al final de su estadía, viajó a Alemania, donde conoció a Albert Einstein y James Franck.

Al regresar a Estados Unidos, Urey recibió una oferta de beca del Consejo Nacional de Investigación para la Universidad de Harvard, y también recibió una oferta de ser asociado de investigación en la Universidad Johns Hopkins. Eligió lo último. Antes de asumir el cargo, viajó a Seattle, Washington, para visitar a su madre. En el camino, se detuvo en Everett, Washington, donde conocía a una mujer llamada Kate Daum. Kate presentó a Urey a su hermana, Frieda. Urey y Frieda pronto se comprometieron. Se casaron en la casa del padre de ella en Lawrence, Kansas, en 1926. La pareja tuvo cuatro hijos: Gertrude Bessie Elisabeth, nacida en 1927; Frieda Rebecca, nacida en 1929; Mary Alice, nacida en 1934; y John Clayton Urey, nacido en 1939.

En Johns Hopkins, Urey y Arthur Ruark escribieron Atoms, Quanta and Molecules 1930, uno de los primeros textos en inglés sobre mecánica cuántica y sus aplicaciones a sistemas atómicos y moleculares. En 1929, Urey se convirtió en profesor asociado de Química en la Universidad de Columbia, donde sus colegas incluían a Rudolph Schoenheimer, David Rittenberg, y T. I. Taylor.

Deuterio

En la década de 1920, William Giauque y Herrick L. Johnston descubrieron los isótopos estables del oxígeno. Los isótopos no eran bien entendidos en ese momento; James Chadwick no descubriría el neutrón hasta 1932. Dos sistemas estaban en uso para clasificarlos, basados en propiedades químicas y físicas. El último fue determinado usando el espectrógrafo de masas. Como se sabía que el peso atómico del oxígeno era casi exactamente 16 veces más pesado que el hidrógeno, Raymond Birge y Donald Menzel hipotetizaron que el hidrógeno también tenía más de un isótopo. Basándose en la diferencia entre los resultados de los dos métodos, predijeron que solo uno de cada 4.500 átomos de hidrógeno era del isótopo pesado.

En 1931, Urey se propuso encontrarlo. Urey y George Murphy calcularon a partir de la serie de Balmer que el isótopo pesado debería tener líneas desplazadas hacia el rojo por 1,1 a 1,8 ångströms 1,1×10−10 a 1,8×10−10 metros. Urey tenía acceso a un espectrógrafo de red de 21 pies 6,4 m, un dispositivo sensible que había sido instalado recientemente en Columbia y era capaz de resolver la serie de Balmer. Con una resolución de 1 Å por milímetro, la máquina debería haber producido una diferencia de aproximadamente 1 milímetro. Sin embargo, como solo uno de cada 4.500 átomos era pesado, la línea en el espectrógrafo era muy débil. Urey por lo tanto decidió retrasar la publicación de sus resultados hasta que tuviera pruebas más concluyentes de que era hidrógeno pesado.

Urey y Murphy calcularon a partir del modelo de Debye que el isótopo pesado tendría un punto de ebullición ligeramente más alto que el ligero. Calentando cuidadosamente el hidrógeno líquido, 5 litros de hidrógeno líquido podrían destilarse a 1 mililitro, que estaría enriquecido en el isótopo pesado 100 a 200 veces. Para obtener cinco litros de hidrógeno líquido, viajaron al laboratorio de criogenia en la Oficina Nacional de Estándares en Washington, D.C., donde obtuvieron la ayuda de Ferdinand Brickwedde, a quien Urey había conocido en Johns Hopkins.

La primera muestra que Brickwedde envió fue evaporada a 20 K −253,2 °C; −423,7 °F a una presión de 1 atmósfera estándar 100 kPa. Para su sorpresa, esto no mostró evidencia de enriquecimiento. Brickwedde luego preparó una segunda muestra evaporada a 14 K −259,1 °C; −434,5 °F a una presión de 53 mmHg 7,1 kPa. En esta muestra, las líneas de Balmer para el hidrógeno pesado eran siete veces más intensas. El artículo que anuncia el descubrimiento del hidrógeno pesado, posteriormente nombrado deuterio, fue publicado conjuntamente por Urey, Murphy, y Brickwedde en 1932. Urey fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 1934 "por su descubrimiento del hidrógeno pesado". Declinó asistir a la ceremonia en Estocolmo, para que pudiera estar presente en el nacimiento de su hija Mary Alice.

Trabajando con Edward W. Washburn de la Oficina de Estándares, Urey posteriormente descubrió la razón de la muestra anómala. El hidrógeno de Brickwedde había sido separado del agua por electrólisis, resultando en una muestra empobrecida. Además, Francis William Aston ahora informó que su valor calculado para el peso atómico del hidrógeno era incorrecto, invalidando el razonamiento original de Birge y Menzel. El descubrimiento del deuterio se mantuvo, sin embargo.

Urey y Washburn intentaron usar la electrólisis para crear agua pesada pura. Su técnica era sólida, pero fueron superados en 1933 por Lewis, quien tenía los recursos de la Universidad de California a su disposición. Usando la aproximación Born–Oppenheimer, Urey y David Rittenberg calcularon las propiedades de gases que contienen hidrógeno y deuterio. Los ampliaron a enriquecer compuestos de carbono, nitrógeno y oxígeno. Estos podrían ser utilizados como trazadores en bioquímica, resultando en una forma completamente nueva de examinar reacciones químicas. Fundó el Journal of Chemical Physics en 1932, y fue su primer editor, sirviendo en esa capacidad hasta 1940.

En Columbia, Urey presidió la Federación Universitaria para la Democracia y la Libertad Intelectual. Apoyó la propuesta del atlantista Clarence Streit para una unión federal de las principales democracias del mundo, y la causa republicana durante la Guerra Civil Española. Fue un oponente temprano del nazismo alemán y ayudó a científicos refugiados, incluyendo a Enrico Fermi, ayudándolos a encontrar trabajo en Estados Unidos, y a adaptarse a la vida en un nuevo país.

Proyecto Manhattan

Para cuando la Segunda Guerra Mundial estalló en Europa en 1939, Urey era reconocido como un experto mundial en separación de isótopos. Hasta ese momento, la separación había implicado solo los elementos ligeros. En 1939 y 1940, Urey publicó dos artículos sobre la separación de isótopos más pesados en los que propuso la separación centrífuga. Esto adquirió gran importancia debido a la especulación de Niels Bohr de que el uranio 235 era fisible. Porque se consideraba "muy dudoso que una reacción en cadena pueda establecerse sin separar 235 del resto del uranio," Urey comenzó estudios intensivos de cómo podría lograrse el enriquecimiento de uranio. Aparte de la separación centrífuga, George Kistiakowsky sugirió que la difusión gaseosa podría ser un posible método. Una tercera posibilidad era la difusión térmica. Urey coordinó todos los esfuerzos de investigación de separación de isótopos, incluyendo el esfuerzo para producir agua pesada, que podría ser utilizada como moderador de neutrones en reactores nucleares.

En mayo de 1941, Urey fue designado al Comité sobre Uranio, que supervisó el proyecto de uranio como parte del Comité Nacional de Investigación de Defensa NDRC. En 1941, Urey y George B. Pegram encabezaron una misión diplomática a Inglaterra para establecer cooperación en el desarrollo de la bomba atómica. Los británicos eran optimistas sobre la difusión gaseosa, pero era claro que ambos métodos gaseoso y centrífugo enfrentaban obstáculos técnicos formidables. En mayo de 1943, cuando el Proyecto Manhattan ganó impulso. Urey se convirtió en jefe de los Laboratorios de Materiales Sustitutos en Tiempos de Guerra SAM Laboratories en Columbia, que era responsable del agua pesada y todos los procesos de enriquecimiento de isótopos excepto el proceso electromagnético de Ernest Lawrence.

Los primeros informes sobre el método centrífugo indicaban que no era tan eficiente como se predijo. Urey sugirió que se usara un sistema de contracorriente más eficiente pero técnicamente más complicado en lugar del método de flujo continuo anterior. Para noviembre de 1941, los obstáculos técnicos parecían lo suficientemente formidables para que el proceso fuera abandonado. Las centrifugadoras de contracorriente fueron desarrolladas después de la guerra, y hoy son el método favorito en muchos países.

El proceso de difusión gaseosa siguió siendo más prometedor, aunque también tenía obstáculos técnicos a superar. Para finales de 1943, Urey tenía más de 700 personas trabajando para él en difusión gaseosa. El proceso implicaba cientos de cascadas, en las que el hexafluoruro de uranio corrosivo se difundía a través de barreras gaseosas, enriqueciéndose progresivamente en cada etapa. Un problema importante fue encontrar sellos apropiados para las bombas, pero por mucho la mayor dificultad residía en construir una barrera de difusión apropiada. La construcción de la enorme planta de difusión gaseosa K-25 estaba bien avanzada antes de que una barrera adecuada estuviera disponible en cantidad en 1944. Como respaldo, Urey promovió la difusión térmica.

Agotado por el esfuerzo, Urey dejó el proyecto en febrero de 1945, entregando sus responsabilidades a R. H. Crist. La planta K-25 comenzó a operar en marzo de 1945, y a medida que se resolvían los problemas, la planta operaba con una eficiencia y economía notable