Harold Urey

La vita non è un miracolo. È un fenomeno naturale e può essere previsto che appaia ogni volta che c'è un pianeta le cui condizioni duplicano quelle della terra.

Harold Clayton Urey era un chimico fisico americano il cui lavoro pionieristico sugli isotopi gli valse il Premio Nobel per la Chimica nel 1934 per la scoperta del deuterio. Ha svolto un ruolo significativo nello sviluppo della bomba atomica, oltre a contribuire a teorie sullo sviluppo della vita organica dalla materia non vivente.

Nato a Walkerton, Indiana, Urey studiò termodinamica sotto Gilbert N. Lewis presso l'Università della California, Berkeley. Dopo aver ricevuto il suo PhD nel 1923, gli fu assegnata una borsa di studio dalla Fondazione Americana-Scandinava per studiare presso l'Istituto Niels Bohr a Copenaghen. Era un ricercatore presso l'Università Johns Hopkins prima di diventare professore associato di Chimica presso l'Università Columbia. Nel 1931, iniziò a lavorare sulla separazione degli isotopi che portò alla scoperta del deuterio.

Durante la Seconda Guerra Mondiale, Urey rivolse la sua conoscenza della separazione degli isotopi al problema dell'arricchimento dell'uranio. Ha guidato il gruppo situato presso l'Università Columbia che sviluppò la separazione degli isotopi usando la diffusione gassosa. Il metodo fu sviluppato con successo, diventando l'unico metodo utilizzato nel primo dopoguerra. Dopo la guerra, Urey divenne professore di chimica presso l'Istituto per gli Studi Nucleari, e successivamente professore Ryerson di chimica presso l'Università di Chicago.

Urey ipotizzò che l'atmosfera terrestre primitiva fosse composta da ammoniaca, metano e idrogeno. Uno dei suoi studenti diplomati a Chicago era Stanley L. Miller, che mostrò nell'esperimento Miller–Urey che, se una tale miscela fosse esposta a scintille elettriche e acqua, potrebbe interagire per produrre amminoacidi, comunemente considerati i mattoni della vita. Il lavoro con isotopi di ossigeno portò a fondare il nuovo campo della ricerca paleoclimatica. Nel 1958, accettò un posto come professore in generale presso la nuova Università della California, San Diego UCSD, dove aiutò a creare la facoltà scientifica. Fu uno dei membri fondatori della scuola di chimica di UCSD, che fu creata nel 1960. Divenne sempre più interessato alla scienza dello spazio, e quando l'Apollo 11 tornò con campioni di roccia lunare dalla luna, Urey li esaminò presso il Lunar Receiving Laboratory. L'astronauta lunare Harrison Schmitt disse che Urey si avvicinò a lui come volontario per una missione sola andata verso la Luna, affermando "Andrò, e non mi importa se non torno indietro."

Primi anni

Harold Clayton Urey nacque il 29 aprile 1893 a Walkerton, Indiana, figlio di Samuel Clayton Urey, insegnante di scuola e ministro della Chiesa dei Fratelli, e di sua moglie Cora Rebecca née Reinoehl. Aveva un fratello più giovane, Clarence, e una sorella più giovane, Martha. La famiglia si trasferì a Glendora, California dopo che Samuel si ammalò gravemente di tubercolosi, nella speranza che il clima migliorasse la sua salute. Quando divenne chiaro che sarebbe morto, la famiglia si trasferì di nuovo in Indiana per vivere con la madre vedova di Cora. Samuel morì quando Harold Urey aveva sei anni.

Urey frequentò una scuola elementare Amish, dalla quale si diplomò all'età di 14 anni. Successivamente frequentò la scuola superiore a Kendallville, Indiana. Dopo essersi diplomato nel 1911, ottenne un certificato di insegnamento dal Earlham College, e insegnò in una piccola casa scolastica in Indiana. Successivamente si trasferì nel Montana, dove viveva sua madre, e continuò a insegnare lì.

Urey entrò all'Università del Montana a Missoula nell'autunno del 1914. A differenza delle università orientali dell'epoca, l'Università del Montana era mista sia per studenti che per insegnanti. Lì Urey conseguì una laurea in Scienze (BS) in zoologia nel 1917.

Come risultato dell'ingresso degli Stati Uniti nella Prima Guerra Mondiale quell'anno, c'era una forte pressione per sostenere lo sforzo bellico. Urey era stato allevato in una setta religiosa che si opponeva alla guerra. Uno dei suoi professori gli suggerì di sostenere lo sforzo bellico lavorando come chimico. Urey accettò un lavoro presso la Barrett Chemical Company a Philadelphia, producendo TNT, piuttosto che arruolarsi nell'esercito come soldato. Dopo la guerra, tornò all'Università del Montana come istruttore di Chimica.

Una carriera accademica richiedeva un dottorato, quindi nel 1921 Urey si iscrisse a un programma di PhD presso l'Università della California, Berkeley, dove studiò termodinamica sotto Gilbert N. Lewis. Il suo primo tentativo di tesi era sull'ionizzazione del vapore di cesio. Incontrò difficoltà, e Meghnad Saha pubblicò un articolo migliore sullo stesso argomento. Urey scrisse quindi la sua tesi sugli stati di ionizzazione di un gas ideale, che fu successivamente pubblicata nell'Astrophysical Journal. Dopo aver ricevuto il suo PhD nel 1923, Urey fu assegnato una borsa di studio dalla Fondazione Americana-Scandinava per studiare presso l'Istituto Niels Bohr a Copenaghen, dove incontrò Werner Heisenberg, Hans Kramers, Wolfgang Pauli, Georg von Hevesy, e John Slater. Alla conclusione del suo soggiorno, viaggiò in Germania, dove incontrò Albert Einstein e James Franck.

Al suo ritorno negli Stati Uniti, Urey ricevette un'offerta di borsa di studio del National Research Council per l'Università di Harvard, e ricevette anche un'offerta di essere un ricercatore associato presso l'Università Johns Hopkins. Scelse quest'ultima. Prima di assumere l'incarico, viaggiò a Seattle, Washington, per visitare sua madre. Nel percorso, si fermò a Everett, Washington, dove conosceva una donna chiamata Kate Daum. Kate presentò Urey a sua sorella, Frieda. Urey e Frieda presto si fidanzarono. Si sposarono nella casa del padre di lei a Lawrence, Kansas, nel 1926. La coppia ebbe quattro figli: Gertrude Bessie Elisabeth, nata nel 1927; Frieda Rebecca, nata nel 1929; Mary Alice, nata nel 1934; e John Clayton Urey, nato nel 1939.

A Johns Hopkins, Urey e Arthur Ruark scrissero Atoms, Quanta and Molecules 1930, uno dei primi testi inglesi sulla meccanica quantistica e le sue applicazioni ai sistemi atomici e molecolari. Nel 1929, Urey divenne professore associato di Chimica presso l'Università Columbia, dove i suoi colleghi includevano Rudolph Schoenheimer, David Rittenberg, e T. I. Taylor.

Deuterio

Negli anni Venti, William Giauque e Herrick L. Johnston scoprirono gli isotopi stabili dell'ossigeno. Gli isotopi non erano ben compresi all'epoca; James Chadwick non avrebbe scoperto il neutrone fino al 1932. Due sistemi erano in uso per classificarli, basati su proprietà chimiche e fisiche. Quest'ultimo fu determinato usando lo spettrografo di massa. Poiché si sapeva che il peso atomico dell'ossigeno era quasi esattamente 16 volte più pesante dell'idrogeno, Raymond Birge e Donald Menzel ipotizzarono che l'idrogeno aveva più di un isotopo. Sulla base della differenza tra i risultati dei due metodi, predissero che solo un atomo di idrogeno su 4.500 era dell'isotopo pesante.

Nel 1931, Urey decise di cercarlo. Urey e George Murphy calcolarono dalla serie di Balmer che l'isotopo pesante dovrebbe avere linee spostate verso il rosso di 1,1 a 1,8 ångströms 1,1×10−10 a 1,8×10−10 metri. Urey aveva accesso a uno spettrografo a reticolo di 21 piedi 6,4 m, uno strumento sensibile che era stato recentemente installato a Columbia ed era in grado di risolvere la serie di Balmer. Con una risoluzione di 1 Å per millimetro, lo strumento avrebbe dovuto produrre una differenza di circa 1 millimetro. Tuttavia, poiché solo un atomo su 4.500 era pesante, la linea sullo spettrografo era molto tenue. Urey decise quindi di ritardare la pubblicazione dei loro risultati fino a quando non avesse avuto prove più conclusive che si trattava di idrogeno pesante.

Urey e Murphy calcolarono dal modello di Debye che l'isotopo pesante avrebbe avuto un punto di ebollizione leggermente più alto rispetto a quello leggero. Riscaldando attentamente l'idrogeno liquido, 5 litri di idrogeno liquido potevano essere distillati a 1 millilitro, che sarebbe stato arricchito nell'isotopo pesante di 100-200 volte. Per ottenere cinque litri di idrogeno liquido, si recarono al laboratorio di criogenia presso il National Bureau of Standards a Washington, D.C., dove ricevettero l'aiuto di Ferdinand Brickwedde, che Urey conosceva da Johns Hopkins.

Il primo campione che Brickwedde inviò fu evaporato a 20 K −253,2 °C; −423,7 °F a una pressione di 1 atmosfera standard 100 kPa. Con loro sorpresa, questo non mostrò alcuna prova di arricchimento. Brickwedde quindi preparò un secondo campione evaporato a 14 K −259,1 °C; −434,5 °F a una pressione di 53 mmHg 7,1 kPa. Su questo campione, le linee di Balmer per l'idrogeno pesante erano sette volte più intense. L'articolo che annunciava la scoperta dell'idrogeno pesante, successivamente chiamato deuterio, fu pubblicato congiuntamente da Urey, Murphy e Brickwedde nel 1932. Urey ricevette il Premio Nobel per la Chimica nel 1934 "per la sua scoperta dell'idrogeno pesante". Ha rifiutato di partecipare alla cerimonia a Stoccolma, in modo da poter essere presente al parto di sua figlia Mary Alice.

Lavorando con Edward W. Washburn del Bureau of Standards, Urey in seguito scoprì il motivo del campione anomalo. L'idrogeno di Brickwedde era stato separato dall'acqua per elettrolisi, risultando in un campione impoverito. Inoltre, Francis William Aston ora riferì che il suo valore calcolato per il peso atomico dell'idrogeno era errato, invalidando così il ragionamento originale di Birge e Menzel. La scoperta del deuterio resistette, comunque.

Urey e Washburn tentarono di usare l'elettrolisi per creare acqua pesante pura. La loro tecnica era corretta, ma furono battuti nel 1933 da Lewis, che aveva le risorse dell'Università della California a sua disposizione. Usando l'approssimazione Born–Oppenheimer, Urey e David Rittenberg calcolarono le proprietà dei gas contenenti idrogeno e deuterio. Estesero questo all'arricchimento di composti di carbonio, azoto e ossigeno. Questi potevano essere utilizzati come traccianti in biochimica, risultando in un modo completamente nuovo di esaminare le reazioni chimiche. Ha fondato il Journal of Chemical Physics nel 1932, e ne è stato il primo redattore, ricoprendo quella posizione fino al 1940.

A Columbia, Urey presiedeva l'University Federation for Democracy and Intellectual Freedom. Sostenne la proposta del pan-atlantista Clarence Streit per un'unione federale delle principali democrazie mondiali, e la causa repubblicana durante la Guerra Civile Spagnola. Fu uno dei primi oppositori del nazismo tedesco e assistette scienziati rifugiati, incluso Enrico Fermi, aiutandoli a trovare lavoro negli Stati Uniti, e ad adattarsi alla vita in un nuovo paese.

Progetto Manhattan

Al momento dello scoppio della Seconda Guerra Mondiale in Europa nel 1939, Urey era riconosciuto come un esperto mondiale sulla separazione degli isotopi. Fino a quel momento, la separazione aveva coinvolto solo gli elementi leggeri. Nel 1939 e 1940, Urey pubblicò due articoli sulla separazione degli isotopi più pesanti in cui propose la separazione centrifuga. Questo assunse grande importanza a causa della speculazione di Niels Bohr che l'uranio 235 era fissile. Poiché era considerato "molto dubbio se una reazione a catena possa essere stabilita senza separare 235 dal resto dell'uranio," Urey iniziò studi intensivi su come l'arricchimento dell'uranio potesse essere ottenuto. Oltre alla separazione centrifuga, George Kistiakowsky suggerì che la diffusione gassosa potesse essere un possibile metodo. Una terza possibilità era la diffusione termica. Urey coordinò tutti gli sforzi di ricerca sulla separazione degli isotopi, incluso lo sforzo di produrre acqua pesante, che potrebbe essere utilizzata come moderatore di neutroni nei reattori nucleari.

Nel maggio 1941, Urey fu nominato al Comitato sull'Uranio, che supervisionava il progetto dell'uranio come parte del National Defense Research Committee NDRC. Nel 1941, Urey e George B. Pegram guidarono una missione diplomatica in Inghilterra per stabilire la cooperazione nello sviluppo della bomba atomica. Gli inglesi erano ottimisti sulla diffusione gassosa, ma era chiaro che sia i metodi gassosi che quelli centrifughi affrontavano ostacoli tecnici formidabili. Nel maggio 1943, mentre il Progetto Manhattan guadagnava slancio, Urey divenne capo dei Laboratori Wartime Substitute Alloy Materials (SAM Laboratories) a Columbia, che era responsabile dell'acqua pesante e di tutti i processi di arricchimento degli isotopi eccetto il processo elettromagnetico di Ernest Lawrence.

I primi rapporti sul metodo centrifugo indicavano che non era efficiente come previsto. Urey suggerì che un sistema controcorrente più efficiente ma tecnicamente più complicato fosse utilizzato al posto del precedente metodo di flusso continuo. Entro novembre 1941, gli ostacoli tecnici sembravano sufficientemente formidabili per il processo da abbandonare. Le centrifughe controcorrente furono sviluppate dopo la guerra, e oggi sono il metodo favorito in molti paesi.

Il processo di diffusione gassosa rimase più incoraggiante, sebbene anch'esso avesse ostacoli tecnici da superare. Entro la fine del 1943, Urey aveva oltre 700 persone che lavoravano per lui sulla diffusione gassosa. Il processo ha coinvolto centinaia di cascate, in cui l'esafluoruro di uranio corrosivo si è diffuso attraverso barriere gassose, diventando progressivamente più arricchito ad ogni stadio. Un problema importante era trovare sigilli appropriati per le pompe, ma di gran lunga la difficoltà maggiore risiedeva nella costruzione di una barriera di diffusione appropriata. La costruzione dell'enorme impianto di diffusione gassosa K-25 era ben avviata prima che una barriera idonea diventasse disponibile in quantità nel 1944. Come backup, Urey ha patrocinato la diffusione termica.

Esausto dello sforzo, Urey lasciò il progetto nel febbraio 1945, cedendo le sue responsabilità a R. H. Crist. L'impianto K-25 iniziò l'operazione nel marzo 1945, e mentre i problemi venivano corretti, l'impianto operava con un'efficienza e un'economia rimarchevoli