Harold Urey

La vie n'est pas un miracle. C'est un phénomène naturel, et on peut s'attendre à son apparition chaque fois qu'il y a une planète dont les conditions reproduisent celles de la terre.

Harold Clayton Urey était un chimiste physique américain dont les travaux pionniers sur les isotopes lui ont valu le prix Nobel de chimie en 1934 pour la découverte du deutérium. Il a joué un rôle important dans le développement de la bombe atomique, ainsi que dans la contribution aux théories sur le développement de la vie organique à partir de la matière non vivante.

Né à Walkerton, Indiana, Urey a étudié la thermodynamique sous Gilbert N. Lewis à l'Université de Californie, Berkeley. Après avoir obtenu son doctorat en 1923, il a reçu une bourse de la Fondation américano-scandinave pour étudier à l'Institut Niels Bohr à Copenhague. Il a été associé de recherche à l'Université Johns Hopkins avant de devenir professeur associé de chimie à l'Université Columbia. En 1931, il a commencé des travaux de séparation des isotopes qui ont abouti à la découverte du deutérium.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, Urey a appliqué ses connaissances en séparation des isotopes au problème de l'enrichissement de l'uranium. Il a dirigé le groupe situé à l'Université Columbia qui a développé la séparation des isotopes par diffusion gazeuse. La méthode a été développée avec succès, devenant la seule méthode utilisée au début de l'après-guerre. Après la guerre, Urey est devenu professeur de chimie à l'Institut pour les études nucléaires, et plus tard professeur Ryerson de chimie à l'Université de Chicago.

Urey a émis l'hypothèse que l'atmosphère terrestre primitive était composée d'ammoniac, de méthane et d'hydrogène. L'un de ses étudiants diplômés de Chicago était Stanley L. Miller, qui a démontré dans l'expérience Miller–Urey que, si un tel mélange était exposé à des étincelles électriques et à l'eau, il pouvait interagir pour produire des acides aminés, généralement considérés comme les éléments constitutifs de la vie. Les travaux avec les isotopes de l'oxygène ont conduit à l'initiation du nouveau domaine de la recherche paléoclimatique. En 1958, il a accepté un poste de professeur invité à la nouvelle Université de Californie, San Diego UCSD, où il a aidé à créer la faculté de sciences. Il a été l'un des membres fondateurs de l'école de chimie de l'UCSD, qui a été créée en 1960. Il s'est de plus en plus intéressé à la science spatiale, et quand Apollo 11 a ramené des échantillons de roche lunaire de la lune, Urey les a examinés au Laboratoire de réception lunaire. L'astronaute lunaire Harrison Schmitt a déclaré qu'Urey s'était approché de lui en tant que volontaire pour une mission aller simple vers la Lune, déclarant « J'irai, et je n'ai pas peur de ne pas revenir. »

Début de la vie

Harold Clayton Urey est né le 29 avril 1893, à Walkerton, Indiana, fils de Samuel Clayton Urey, instituteur et ministre de l'Église des Frères, et de sa femme Cora Rebecca née Reinoehl. Il avait un frère cadet, Clarence, et une sœur cadette, Martha. La famille a déménagé à Glendora, Californie après que Samuel soit devenu gravement malade de tuberculose, dans l'espoir que le climat améliorerait sa santé. Quand il est devenu clair qu'il allait mourir, la famille a déménagé en Indiana pour vivre avec la mère veuve de Cora. Samuel est décédé quand Harold Urey avait six ans.

Urey a été éduqué dans une école primaire amish, dont il a obtenu son diplôme à l'âge de 14 ans. Il a ensuite fréquenté l'école secondaire à Kendallville, Indiana. Après avoir obtenu son diplôme en 1911, il a obtenu un certificat d'enseignant de l'Earlham College, et a enseigné dans une petite école en Indiana. Il a ensuite déménagé au Montana, où sa mère habitait à l'époque, et il a continué à enseigner là-bas.

Urey a fréquenté l'Université du Montana à Missoula en automne 1914. Contrairement aux universités de l'Est de l'époque, l'Université du Montana était mixte tant pour les étudiants que pour les professeurs. Là, Urey a obtenu un diplôme de Bachelor of Science (BS) en zoologie en 1917.

À la suite de l'entrée des États-Unis dans la Première Guerre mondiale cette année-là, il y avait une forte pression pour soutenir l'effort de guerre. Urey avait été élevé dans une secte religieuse qui s'opposait à la guerre. L'un de ses professeurs lui a suggéré de soutenir l'effort de guerre en travaillant comme chimiste. Urey a pris un emploi avec la Barrett Chemical Company à Philadelphie, fabricant du TNT, plutôt que de rejoindre l'armée en tant que soldat. Après la guerre, il est retourné à l'Université du Montana en tant que chargé de cours en chimie.

Une carrière universitaire nécessitait un doctorat, donc en 1921 Urey s'est inscrit à un programme de doctorat à l'Université de Californie, Berkeley, où il a étudié la thermodynamique sous Gilbert N. Lewis. Sa première tentative de thèse portait sur l'ionisation de vapeur de césium. Il a rencontré des difficultés, et Meghnad Saha a publié un meilleur article sur le même sujet. Urey a ensuite écrit sa thèse sur les états d'ionisation d'un gaz idéal, qui a été par la suite publiée dans l'Astrophysical Journal. Après avoir obtenu son doctorat en 1923, Urey a reçu une bourse de la Fondation américano-scandinave pour étudier à l'Institut Niels Bohr à Copenhague, où il a rencontré Werner Heisenberg, Hans Kramers, Wolfgang Pauli, Georg von Hevesy et John Slater. À la conclusion de son séjour, il a voyagé en Allemagne, où il a rencontré Albert Einstein et James Franck.

À son retour aux États-Unis, Urey a reçu une offre de bourse du National Research Council à l'Université Harvard, et a également reçu une offre pour être associé de recherche à l'Université Johns Hopkins. Il a choisi ce dernier. Avant de prendre ce poste, il a voyagé à Seattle, Washington, pour rendre visite à sa mère. En chemin, il s'est arrêté à Everett, Washington, où il connaissait une femme appelée Kate Daum. Kate a présenté Urey à sa sœur, Frieda. Urey et Frieda se sont bientôt fiancés. Ils se sont mariés à la maison de son père à Lawrence, Kansas, en 1926. Le couple a eu quatre enfants : Gertrude Bessie Elisabeth, née en 1927 ; Frieda Rebecca, née en 1929 ; Mary Alice, née en 1934 ; et John Clayton Urey, né en 1939.

À Johns Hopkins, Urey et Arthur Ruark ont écrit Atoms, Quanta and Molecules (1930), l'un des premiers textes anglais sur la mécanique quantique et ses applications aux systèmes atomiques et moléculaires. En 1929, Urey est devenu professeur associé de chimie à l'Université Columbia, où ses collègues comprenaient Rudolph Schoenheimer, David Rittenberg et T. I. Taylor.

Deutérium

Dans les années 1920, William Giauque et Herrick L. Johnston ont découvert les isotopes stables de l'oxygène. Les isotopes n'étaient pas bien compris à l'époque ; James Chadwick ne découvrirait le neutron qu'en 1932. Deux systèmes étaient utilisés pour les classifier, basés sur les propriétés chimiques et physiques. Ce dernier a été déterminé en utilisant le spectromètre de masse. Puisqu'il était connu que le poids atomique de l'oxygène était presque exactement 16 fois plus lourd que l'hydrogène, Raymond Birge et Donald Menzel ont émis l'hypothèse que l'hydrogène avait également plus d'un isotope. Sur la base de la différence entre les résultats des deux méthodes, ils ont prédit qu'un seul atome d'hydrogène sur 4 500 était de l'isotope lourd.

En 1931, Urey s'est lancé à sa recherche. Urey et George Murphy ont calculé à partir de la série de Balmer que l'isotope lourd devrait avoir des raies décalées vers le rouge de 1,1 à 1,8 ångströms (1,1×10−10 à 1,8×10−10 mètres). Urey avait accès à un spectroscope à réseau de 21 pieds (6,4 m), un appareil sensible qui venait d'être installé à Columbia et était capable de résoudre la série de Balmer. Avec une résolution de 1 Å par millimètre, l'appareil aurait dû produire une différence d'environ 1 millimètre. Cependant, puisqu'un seul atome sur 4 500 était lourd, la raie sur le spectroscope était très faible. Urey a donc décidé de retarder la publication de leurs résultats jusqu'à ce qu'il ait des preuves plus concluantes qu'il s'agissait d'hydrogène lourd.

Urey et Murphy ont calculé à partir du modèle de Debye que l'isotope lourd aurait un point d'ébullition légèrement plus élevé que celui léger. En réchauffant soigneusement l'hydrogène liquide, 5 litres d'hydrogène liquide pourraient être distillés en 1 millilitre, ce qui serait enrichi en l'isotope lourd de 100 à 200 fois. Pour obtenir cinq litres d'hydrogène liquide, ils se sont rendus au laboratoire de cryogénie du National Bureau of Standards à Washington, D.C., où ils ont obtenu l'aide de Ferdinand Brickwedde, qu'Urey connaissait de Johns Hopkins.

Le premier échantillon que Brickwedde a envoyé s'est évaporé à 20 K (−253,2 °C ; −423,7 °F) à une pression de 1 atmosphère standard (100 kPa). À leur surprise, cela n'a montré aucune preuve d'enrichissement. Brickwedde a ensuite préparé un deuxième échantillon évaporé à 14 K (−259,1 °C ; −434,5 °F) à une pression de 53 mmHg (7,1 kPa). Sur cet échantillon, les raies de Balmer pour l'hydrogène lourd étaient sept fois plus intenses. L'article annonçant la découverte de l'hydrogène lourd, appelé plus tard deutérium, a été publié conjointement par Urey, Murphy et Brickwedde en 1932. Urey a reçu le prix Nobel de chimie en 1934 « pour sa découverte de l'hydrogène lourd ». Il a refusé d'assister à la cérémonie à Stockholm, afin d'être présent à la naissance de sa fille Mary Alice.

Travaillant avec Edward W. Washburn du Bureau of Standards, Urey a par la suite découvert la raison de l'échantillon anormal. L'hydrogène de Brickwedde avait été séparé de l'eau par électrolyse, ce qui a donné un échantillon appauvri. De plus, Francis William Aston a rapporté que sa valeur calculée pour le poids atomique de l'hydrogène était erronée, invalidant ainsi le raisonnement original de Birge et Menzel. La découverte du deutérium a cependant tenu.

Urey et Washburn ont tenté d'utiliser l'électrolyse pour créer de l'eau lourde pure. Leur technique était solide, mais ils ont été devancés en 1933 par Lewis, qui disposait des ressources de l'Université de Californie. Utilisant l'approximation Born–Oppenheimer, Urey et David Rittenberg ont calculé les propriétés des gaz contenant de l'hydrogène et du deutérium. Ils ont étendu cela à l'enrichissement de composés de carbone, d'azote et d'oxygène. Ceux-ci pouvaient être utilisés comme traceurs en biochimie, ce qui a créé une toute nouvelle façon d'examiner les réactions chimiques. Il a fondé le Journal of Chemical Physics en 1932, et en a été le premier rédacteur en chef, servant dans cette capacité jusqu'en 1940.

À Columbia, Urey a présidé l'University Federation for Democracy and Intellectual Freedom. Il a soutenu la proposition atlantiste de Clarence Streit pour une union fédérale des principales démocraties du monde, et la cause républicaine pendant la Guerre civile espagnole. Il a été un opposant précoce au nazisme allemand et a aidé les scientifiques réfugiés, notamment Enrico Fermi, en les aidant à trouver du travail aux États-Unis et à s'adapter à la vie dans un nouveau pays.

Projet Manhattan

Au moment où la Seconde Guerre mondiale a éclaté en Europe en 1939, Urey était reconnu comme un expert mondial en séparation des isotopes. Jusqu'à présent, la séparation n'avait impliqué que les éléments légers. En 1939 et 1940, Urey a publié deux articles sur la séparation des isotopes plus lourds dans lesquels il a proposé la séparation centrifuge. Ceci a pris une grande importance en raison de la spéculation de Niels Bohr selon laquelle l'uranium 235 était fissile. Parce qu'il était considéré comme « très douteux qu'une réaction en chaîne puisse être établie sans séparer 235 du reste de l'uranium », Urey a entrepris des études intensives sur la façon dont l'enrichissement de l'uranium pourrait être réalisé. Outre la séparation centrifuge, George Kistiakowsky a suggéré que la diffusion gazeuse pourrait être une méthode possible. Une troisième possibilité était la diffusion thermique. Urey a coordonné tous les efforts de recherche sur la séparation des isotopes, y compris l'effort de production d'eau lourde, qui pouvait être utilisée comme modérateur de neutrons dans les réacteurs nucléaires.

En mai 1941, Urey a été nommé au Comité sur l'uranium, qui supervisait le projet d'uranium dans le cadre du Comité national de la recherche pour la défense (NDRC). En 1941, Urey et George B. Pegram ont dirigé une mission diplomatique en Angleterre pour établir une coopération sur le développement de la bombe atomique. Les Britanniques étaient optimistes quant à la diffusion gazeuse, mais il était clair que les deux méthodes gazeuse et centrifuge faisaient face à des obstacles techniques redoutables. En mai 1943, alors que le projet Manhattan prenait de l'ampleur, Urey est devenu chef des Laboratoires de matériaux de remplacement en temps de guerre (SAM Laboratories) à Columbia, qui était responsable de l'eau lourde et de tous les processus d'enrichissement des isotopes, sauf le processus électromagnétique d'Ernest Lawrence.

Les premiers rapports sur la méthode centrifuge indiquaient qu'elle n'était pas aussi efficace que prévu. Urey a suggéré qu'un système de contre-courant plus efficace mais techniquement plus compliqué soit utilisé à la place de la méthode précédente de circulation. En novembre 1941, les obstacles techniques semblaient suffisamment redoutables pour que le processus soit abandonné. Les centrifugeuses à contre-courant ont été développées après la guerre et sont aujourd'hui la méthode privilégiée dans de nombreux pays.

Le processus de diffusion gazeuse est resté plus encourageant, bien qu'il ait également des obstacles techniques à surmonter. À la fin de 1943, Urey avait plus de 700 personnes travaillant pour lui sur la diffusion gazeuse. Le processus impliquait des centaines de cascades, dans lesquelles l'hexafluorure d'uranium corrosif s'est diffusé à travers des barrières gazeuses, devenant progressivement plus enrichi à chaque étape. Un problème majeur était de trouver les joints appropriés pour les pompes, mais de loin la plus grande difficulté résidait dans la construction d'une barrière de diffusion appropriée. La construction de l'énorme usine de diffusion gazeuse K-25 était bien en cours avant qu'une barrière appropriée devienne disponible en quantité en 1944. En secours, Urey a défendu la diffusion thermique.

Épuisé par cet effort, Urey a quitté le projet en février 1945, remettant ses responsabilités à R. H. Crist. L'usine K-25 a commencé ses opérations en mars 1945, et au fur et à mesure que les problèmes étaient résolus, l'usine a fonctionné avec une remarquable efficacité et économie.