生命は奇跡ではありません。それは自然現象であり、地球と同じ条件を持つ惑星が存在すれば、どこでも現れると予想できます。
Harold Clayton Urey は、同位体に関する先駆的な研究により1934年にノーベル化学賞を受賞し、重水素の発見で知られるアメリカの物理化学者です。彼は原子爆弾の開発に重要な役割を果たし、また非生命物質から有機生命が発展するという理論にも貢献しました。
Urey は Walkerton, Indiana で生まれ、University of California, Berkeley で Gilbert N. Lewis のもとで熱力学を学びました。1923年に博士号を取得した後、American-Scandinavian Foundation のフェローシップを受けて Copenhagen の Niels Bohr Institute で研究しました。Johns Hopkins University の研究員を経て、Columbia University の化学准教授となりました。1931年、彼は同位体分離の研究を開始し、重水素の発見につながりました。
第二次世界大戦中、Urey は同位体分離に関する知識をウラン濃縮の問題に転用しました。彼は Columbia University に位置する気体拡散を使用した同位体分離を開発したグループを率いました。この方法は成功裏に開発され、戦後初期に使用された唯一の方法となりました。戦後、Urey は核研究所の化学教授となり、後に University of Chicago の Ryerson 化学教授となりました。
Urey は初期の地球の大気がアンモニア、メタン、水素で構成されていたと推測しました。彼の Chicago の大学院生の一人は Stanley L. Miller であり、Miller–Urey 実験でそのような混合物が電火花と水にさらされると、生命の構成要素と一般的に考えられているアミノ酸を生成するために相互作用できることを示しました。酸素同位体の研究は古気候学の新しい分野を開拓することにつながりました。1958年、彼は新しい University of California, San Diego UCSD の教授職を受け入れ、科学部門の創設に協力しました。彼は1960年に設立された UCSD の化学部門の創設メンバーの一人でした。彼はますます宇宙科学に興味を持つようになり、Apollo 11 が月から月の岩石サンプルを返してきたとき、Urey はそれを Lunar Receiving Laboratory で調べました。月着陸宇宙飛行士 Harrison Schmitt は、Urey が月への片道ミッションのボランティアとして彼に接近し、「私は行きます、そして戻ってこなくても気にしません。」と述べたと述べました。
初期人生
Harold Clayton Urey は1893年4月29日に Walkerton, Indiana で、学校教員で Church of the Brethren の牧師である Samuel Clayton Urey とその妻 Cora Rebecca née Reinoehl の息子として生まれました。彼は弟の Clarence と妹の Martha がいました。Samuel が結核で重病になった後、家族は気候が彼の健康を改善することを望んで Glendora, California に移動しました。彼が亡くなることが明らかになると、家族は Cora の未亡人の母親と一緒に暮らすためにインディアナに戻りました。Samuel は Harold Urey が6歳のときに亡くなりました。
Urey はアーミッシュの小学校で教育を受け、14歳で卒業しました。その後、彼は Kendallville, Indiana の高校に通いました。1911年に卒業した後、彼は Earlham College から教師資格を取得し、インディアナの小さな校舎で教えました。後に彼は母親が住んでいた Montana に移動し、そこでも教え続けました。
Urey は1914年秋に Missoula の University of Montana に入学しました。当時の東部の大学とは異なり、University of Montana は学生と教師の両方で共学でした。そこで Urey は1917年に動物学の学士号を取得しました。
その年の United States の第一次世界大戦への参戦の結果として、戦争努力を支援するための強い圧力がありました。Urey は戦争に反対する宗教的セクトで育てられていました。彼の教授の一人は、化学者として働くことで戦時の努力を支援することを提案しました。Urey は軍人として軍隊に参加する代わりに、TNT を製造している Philadelphia の Barrett Chemical Company で仕事をしました。戦後、彼は化学の講師として University of Montana に戻りました。
学問的なキャリアは博士号を必要としたため、1921年に Urey は University of California, Berkeley の博士課程に入学し、Gilbert N. Lewis のもとで熱力学を学びました。彼の論文の最初の試みはセシウム蒸気のイオン化についてでした。彼は困難に直面し、Meghnad Saha は同じ主題に関するより良い論文を発表しました。Urey はその後、理想気体のイオン化状態に関する論文を書き、その後 Astrophysical Journal で発表されました。1923年に博士号を取得した後、Urey は American-Scandinavian Foundation のフェローシップを受けて Copenhagen の Niels Bohr Institute で研究し、Werner Heisenberg、Hans Kramers、Wolfgang Pauli、Georg von Hevesy、John Slater に会いました。彼の滞在の終了時に、彼はドイツに旅行し、Albert Einstein と James Franck に会いました。
United States に戻ると、Urey は Harvard University への National Research Council フェローシップの申し出を受け、また Johns Hopkins University の研究員になるという申し出も受けました。彼は後者を選びました。仕事を始める前に、彼は Washington の Seattle に彼の母親を訪問するために旅行しました。途中で、彼は Everett, Washington に立ち寄りました。そこで彼は Kate Daum という女性を知っていました。Kate は Urey を彼女の妹 Frieda に紹介しました。Urey と Frieda はすぐに婚約しました。彼らは1926年に Kansas の Lawrence にある彼女の父親の家で結婚しました。カップルには4人の子供がいました：1927年に生まれた Gertrude Bessie Elisabeth；1929年に生まれた Frieda Rebecca；1934年に生まれた Mary Alice；および1939年に生まれた John Clayton Urey。
Johns Hopkins では、Urey と Arthur Ruark は「Atoms, Quanta and Molecules」（1930年）を執筆しました。これは量子力学とその原子および分子システムへの応用に関する最初の英語のテキストの1つです。1929年、Urey は Columbia University の化学准教授になり、彼の同僚には Rudolph Schoenheimer、David Rittenberg、T. I. Taylor が含まれていました。
重水素
1920年代に、William Giauque と Herrick L. Johnston は酸素の安定同位体を発見しました。当時、同位体はよく理解されていませんでした。James Chadwick は1932年まで中性子を発見しませんでした。化学的および物理的性質に基づいた2つのシステムがそれらを分類するために使用されていました。後者は質量分光計を使用して決定されました。酸素の原子量がほぼ正確に水素の16倍の重さであることが知られていたため、Raymond Birge と Donald Menzel は水素も複数の同位体を持つことを仮説立てました。2つの方法の結果の違いに基づいて、彼らは4,500個中わずか1つの水素原子が重い同位体であると予測しました。
1931年、Urey はそれを見つけるために着手しました。Urey と George Murphy は Balmer 系列から重い同位体が1.1～1.8 ångströms（1.1×10−10～1.8×10−10 メートル）赤方偏移する線を持つべきであると計算しました。Urey は Columbia に最近設置され、Balmer 系列を解く能力がある21フィート（6.4 m）の回折格子分光計にアクセスできました。1オングストロム毎ミリメートルの分解能では、マシンは約1ミリメートルの差を生成するはずでした。しかし、4,500個中わずか1つの原子が重かったため、分光計上の線は非常に薄かったです。Urey はしたがって、それが重い水素であるというより確実な証拠を得るまで、彼らの結果を発表することを遅延させることを決定しました。
Urey と Murphy は Debye モデルから重い同位体が軽い同位体よりもわずかに高い沸点を持つであろうと計算しました。液体水素を注意深く加温することにより、5リットルの液体水素を1ミリリットルに蒸留でき、重い同位体で100～200倍濃縮されます。5リットルの液体水素を取得するため、彼らは Washington, D.C. の National Bureau of Standards の極低温実験室に旅行し、Urey が Johns Hopkins で知っていた Ferdinand Brickwedde の助けを得ました。
Brickwedde が送った最初のサンプルは20 K（−253.2 °C；−423.7 °F）で1標準大気圧（100 kPa）の圧力で蒸発しました。彼らの驚きに、これは濃縮の証拠を示さなかった。Brickwedde はその後、14 K（−259.1 °C；−434.5 °F）で53 mmHg（7.1 kPa）の圧力で蒸発した2番目のサンプルを準備しました。このサンプルでは、重い水素の Balmer 線は7倍強烈でした。重い水素の発見、後に重水素と名付けられた、を発表する論文は1932年に Urey、Murphy、Brickwedde により共同発表されました。Urey は「重い水素の発見」で1934年にノーベル化学賞を受賞しました。彼は Stockholm での式典への出席を辞退し、彼の娘 Mary Alice の出産に立ち会うことができるようにしました。
Bureau of Standards の Edward W. Washburn と協力して、Urey はその後異常なサンプルの理由を発見しました。Brickwedde の水素は電気分解により水から分離されており、枯渇したサンプルになりました。さらに、Francis William Aston は現在、水素の原子量の彼の計算値が誤っていたと報告し、Birge と Menzel の元の推論を無効にしました。重水素の発見は、しかし、立ち続けました。
Urey と Washburn は電気分解を使用して純粋な重水を作成することを試みました。彼らのテクニックは健全でしたが、彼らは1933年に University of California の資源を自由に使えていた Lewis に先制されました。Born–Oppenheimer 近似を使用して、Urey と David Rittenberg は水素と重水素を含むガスの特性を計算しました。彼らはこれを炭素、窒素、酸素の化合物の濃縮に拡張しました。これらは生化学のトレーサーとして使用でき、化学反応を検討するまったく新しい方法をもたらしました。彼は1932年に Journal of Chemical Physics を設立し、1940年までその職務を務める最初の編集者でした。
Columbia では、Urey は University Federation for Democracy and Intellectual Freedom を率いていました。彼は Atlanticist Clarence Streit の世界の主要民主主義国の連邦連合の提案を支持し、スペイン内戦中は共和党の大義を支持しました。彼はドイツナチズムの初期の反対者であり、Enrico Fermi を含む難民科学者を支援し、彼らが United States で働きを見つけるのを助け、新しい国での生活に適応しました。
マンハッタン・プロジェクト
1939年にヨーロッパで第二次世界大戦が勃発したとき、Urey は同位体分離に関する世界的な専門家として認識されていました。これまでのところ、分離は軽い元素のみに関わっていました。1939年と1940年に、Urey は遠心分離を提案した重い同位体の分離に関する2つの論文を発表しました。これは Niels Bohr によるウラン235が核分裂可能であるという推測により大きな重要性を帯びました。「連鎖反応が残りのウラニウムから235を分離せずに確立できるかどうかは非常に疑わしい」と考えられていたため、Urey はウラン濃縮がどのように達成されるかについての集約的な研究を始めました。遠心分離とは別に、George Kistiakowsky は気体拡散が可能な方法であるかもしれないと示唆しました。3番目の可能性は熱拡散でした。Urey は重い水の生産に向けた努力を含む、すべての同位体分離研究努力を調整しました。これは核反応炉の中性子減速材として使用できます。
1941年5月、Urey は National Defense Research Committee NDRC の一部として uranium プロジェクトを監視していた Committee on Uranium に任命されました。1941年、Urey と George B. Pegram は原子爆弾の開発について協力を確立するために England への外交使節団を率いました。イギリス人は気体拡散について楽観的でしたが、気体と遠心分離の両方の方法が多大な技術的障害に直面していることは明らかでした。1943年5月、Manhattan Project が勢いを増すとき、Urey は Columbia での戦時 Substitute Alloy Materials Laboratories SAM Laboratories の責任者となり、これは Ernest Lawrence の電磁プロセスを除く重い水とすべての同位体濃縮プロセスの責任を持ちました。
遠心分離法についての初期の報告は、それが予測されたほど効率的ではなかったことを示していました。Urey は、以前のフロースルー法の代わりに、より効率的だが技術的により複雑な向流システムを使用することを提案しました。1941年11月までに、技術的な障害はプロセスが放棄されるのに十分深刻に思われました。向流遠心分離機は戦後開発され、今日は多くの国で好ましい方法です。
気体拡散プロセスはより有望な状態にあり、これも克服される技術的な障害を持っていました。1943年末までに、Urey は気体拡散で彼のために働く700人以上の人々がいました。このプロセスは、腐食性六フッ化ウランが気体バリアを通じて拡散し、すべての段階で徐々により濃縮される数百のカスケードを含んでいました。主要な問題はポンプの適切なシールを見つけることでしたが、到達ははるかに最大の困難は適切な拡散バリアの構築にありました。巨大な K-25 気体拡散プラントの建設は1944年に大量に利用可能な適切なバリアが利用可能になる前にうまく進んでいました。バックアップとして、Urey は熱拡散を支持しました。
努力に疲れ果てて、Urey は1945年2月にプロジェクトを離れ、彼の責任を R. H. Crist に引き継ぎました。K-25 プラントは1945年3月に操業を開始し、バグが修正されるにつれて、プラントは顕著な効率と経済性で操業しました。
