생명은 기적이 아니다. 그것은 자연현상이며, 지구와 같은 조건을 가진 행성이 있다면 나타날 것으로 예상할 수 있다.
Harold Clayton Urey는 동위원소에 대한 선구적 연구로 중수소 발견으로 1934년 노벨 화학상을 수상한 미국의 물리화학자였다. 그는 원자폭탄 개발에 중요한 역할을 했으며, 비생물물질로부터 유기생명체의 발전에 대한 이론에도 기여했다.
Indiana의 Walkerton에서 태어난 Urey는 University of California, Berkeley에서 Gilbert N. Lewis 밑에서 열역학을 공부했다. 1923년 박사학위를 받은 후, 그는 American-Scandinavian Foundation의 펠로우십을 받아 Copenhagen의 Niels Bohr Institute에서 공부했다. 그는 Johns Hopkins University의 연구원이었다가 Columbia University의 화학 부교수가 되었다. 1931년, 그는 중수소 발견으로 이어진 동위원소 분리 작업을 시작했다.
제2차 세계대전 중, Urey는 그의 동위원소 분리 지식을 우라늄 농축 문제에 돌렸다. 기체확산을 이용한 동위원소 분리를 개발한 Columbia University의 그룹을 이끌었다. 이 방법은 성공적으로 개발되어 전후 초기의 유일한 방법이 되었다. 전쟁 후, Urey는 Institute for Nuclear Studies의 화학 교수가 되었으며, 나중에 University of Chicago의 Ryerson 화학 교수가 되었다.
Urey는 초기 지구 대기가 암모니아, 메탄, 수소로 구성되어 있다고 추측했다. 그의 Chicago 대학원생 중 한 명인 Stanley L. Miller는 Miller–Urey 실험에서 그러한 혼합물이 전기 방전과 물에 노출되면 일반적으로 생명의 구성 요소로 간주되는 아미노산을 생성하기 위해 상호작용할 수 있음을 보여주었다. 산소 동위원소로 작업하면서 고생물 기후 연구의 새로운 분야를 개척했다. 1958년, 그는 새로운 University of California, San Diego UCSD의 대형 교수직을 받아들였으며, 과학 교수진 창설을 도왔다. 그는 1960년에 창설된 UCSD의 화학 학교의 창립 위원이었다. 그는 우주 과학에 점점 더 관심을 가지게 되었으며, Apollo 11이 달의 월석 샘플을 가지고 돌아왔을 때, Urey는 Lunar Receiving Laboratory에서 이를 검사했다. 달 우주인 Harrison Schmitt는 Urey가 달로의 편도 임무 자원봉사자로 자신에게 접근했으며, "나는 가겠고, 돌아오지 않아도 상관없다."라고 말했다고 했다.
초기 생활
Harold Clayton Urey는 1893년 4월 29일 Indiana의 Walkerton에서 School of the Brethren 교회의 학교 교사이자 목사인 Samuel Clayton Urey와 그의 아내 Cora Rebecca née Reinoehl의 아들로 태어났다. 그는 더 어린 형제 Clarence와 더 어린 자매 Martha가 있었다. Samuel이 결핵에 심각히 걸렸을 때 가족은 그의 건강을 개선할 기후를 기대하며 California의 Glendora로 이사했다. 그가 죽을 것이 명확해지자, 가족은 Cora의 미망인 어머니와 함께 살기 위해 Indiana로 다시 이사했다. Samuel은 Harold Urey가 6살일 때 죽었다.
Urey는 14세에 졸업한 Amish 초등학교에서 교육을 받았다. 그 후 Indiana의 Kendallville에 있는 고등학교에 다녔다. 1911년 졸업 후, 그는 Earlham College에서 교사 자격증을 받았으며 Indiana의 작은 교실에서 가르쳤다. 그는 나중에 어머니가 살고 있던 Montana로 이사했으며, 그곳에서도 계속 가르쳤다.
Urey는 1914년 가을 Missoula의 University of Montana에 들어갔다. 당시 동부 대학들과 달리, University of Montana는 학생과 교사 모두에게 남녀 공학이었다. 거기서 Urey는 1917년 동물학 학사 학위를 받았다.
그 해의 미국이 제1차 세계대전에 참전한 결과, 전쟁 노력을 지원하려는 강한 압력이 있었다. Urey는 전쟁에 반대하는 종교 종파에서 자라났다. 그의 교수 중 한 명은 그가 화학자로 일함으로써 전시 노력을 지원할 것을 제안했다. Urey는 군인으로 입대하는 대신 Philadelphia의 Barrett Chemical Company에서 TNT를 만드는 일을 했다. 전쟁 후, 그는 University of Montana으로 돌아와 화학 강사로 일했다.
학문적 경력은 박사학위가 필요했으므로, 1921년 Urey는 University of California, Berkeley의 박사 프로그램에 등록했으며, Gilbert N. Lewis 밑에서 열역학을 공부했다. 그의 초기 논문은 세슘 증기의 이온화에 관한 것이었다. 그는 어려움에 빠졌고, Meghnad Saha는 같은 주제에 대한 더 나은 논문을 발표했다. Urey는 이상적인 가스의 이온화 상태에 대한 그의 논문을 작성했으며, 이는 나중에 천체물리학 저널에 출판되었다. 1923년 박사학위를 받은 후, Urey는 American-Scandinavian Foundation의 펠로우십을 받아 Copenhagen의 Niels Bohr Institute에서 공부했으며, Werner Heisenberg, Hans Kramers, Wolfgang Pauli, Georg von Hevesy, John Slater를 만났다. 그의 체류가 끝났을 때, 그는 Germany로 여행했으며, Albert Einstein과 James Franck를 만났다.
미국으로 돌아온 Urey는 Harvard University의 National Research Council 펠로우십 제안과 Johns Hopkins University의 연구원 제안을 받았다. 그는 후자를 선택했다. 일을 시작하기 전에, 그는 어머니를 방문하기 위해 Washington의 Seattle로 여행했다. 도중에, 그는 Kate Daum이라는 여성을 알고 있던 Washington의 Everett에 들렀다. Kate는 Urey를 그녀의 자매 Frieda에게 소개했다. Urey와 Frieda는 곧 약혼했다. 그들은 1926년 Kansas의 Lawrence에 있는 그녀의 아버지 집에서 결혼했다. 그 부부는 4명의 자녀가 있었다: 1927년에 태어난 Gertrude Bessie Elisabeth; 1929년에 태어난 Frieda Rebecca; 1934년에 태어난 Mary Alice; 그리고 1939년에 태어난 John Clayton Urey.
Johns Hopkins에서, Urey와 Arthur Ruark는 1930년 "Atoms, Quanta and Molecules"를 저술했으며, 이는 양자역학과 원자 및 분자 시스템에 대한 그 적용에 관한 최초의 영어 교과서 중 하나였다. 1929년, Urey는 Columbia University의 화학 부교수가 되었으며, 그의 동료는 Rudolph Schoenheimer, David Rittenberg, T. I. Taylor를 포함했다.
중수소
1920년대에, William Giauque와 Herrick L. Johnston은 산소의 안정적인 동위원소를 발견했다. 동위원소는 당시에 잘 이해되지 않았으며; James Chadwick은 1932년까지 중성자를 발견하지 못했다. 화학 및 물리적 성질에 기반한 두 가지 분류 체계가 사용 중이었다. 후자는 질량 분석기를 사용하여 결정되었다. 산소의 원자량이 수소보다 거의 정확히 16배 더 무거운 것으로 알려져 있었으므로, Raymond Birge와 Donald Menzel은 수소도 하나 이상의 동위원소를 가지고 있다고 가설을 세웠다. 두 방법의 결과 간의 차이를 바탕으로, 그들은 4,500개의 수소 원자 중 1개만이 무거운 동위원소라고 예측했다.
1931년, Urey는 그것을 찾기로 나섰다. Urey와 George Murphy는 Balmer 계열에서 무거운 동위원소가 1.1에서 1.8 ångströms 1.1×10−10에서 1.8×10−10 미터로 적색편이된 선을 가져야 한다고 계산했다. Urey는 최근 Columbia에 설치되었으며 Balmer 계열을 분해할 수 있는 민감한 장치인 21피트 6.4 m 격자 분광기에 접근할 수 있었다. 1 Å/mm의 분해능으로, 기계는 약 1 밀리미터의 차이를 생성했어야 한다. 그러나 4,500개 중 1개의 원자만이 무거웠기 때문에, 분광기의 선은 매우 희미했다. Urey는 따라서 더 결정적인 증거를 얻을 때까지 결과 발표를 연기하기로 결정했다.
Urey와 Murphy는 Debye 모델에서 무거운 동위원소가 가벼운 동위원소보다 약간 더 높은 끓는점을 가질 것이라고 계산했다. 액체 수소를 조심스럽게 따뜻하게 하면, 5리터의 액체 수소를 1 밀리리터로 증류할 수 있었으며, 이는 무거운 동위원소로 100에서 200배 농축되었을 것이다. 5리터의 액체 수소를 얻기 위해, 그들은 Washington, D.C.의 National Bureau of Standards 극저온 실험실로 여행했으며, Urey가 Johns Hopkins에서 알고 있던 Ferdinand Brickwedde의 도움을 받았다.
Brickwedde가 보낸 첫 번째 샘플은 20 K −253.2 °C; −423.7 °F에서 1 표준 대기 100 kPa의 압력에서 증발했다. 그들의 놀라움에, 이는 농축의 증거를 보이지 않았다. Brickwedde는 14 K −259.1 °C; −434.5 °F에서 53 mmHg 7.1 kPa의 압력에서 증발한 두 번째 샘플을 준비했다. 이 샘플에서, 무거운 수소의 Balmer 선은 7배 더 강렬했다. 무거운 수소의 발견을 발표하는 논문 (나중에 중수소라고 명명됨)은 1932년 Urey, Murphy, Brickwedde에 의해 공동으로 출판되었다. Urey는 1934년 노벨 화학상을 "무거운 수소 발견"으로 수상했다. 그는 그의 딸 Mary Alice의 출생에 참석하기 위해 Stockholm의 식전에 참석하기를 거부했다.
Bureau of Standards의 Edward W. Washburn과 함께 일한 Urey는 이후 비정상적인 샘플의 이유를 발견했다. Brickwedde의 수소는 전해를 통해 물에서 분리되었으며, 결과적으로 고갈된 샘플이 되었다. 더욱이, Francis William Aston은 이제 수소의 원자량에 대한 그의 계산 값이 잘못되었다고 보고했으며, 이는 Birge와 Menzel의 원래 추론을 무효화했다. 그러나 중수소의 발견은 남아있었다.
Urey와 Washburn은 전해를 사용하여 순수한 무거운 물을 만들려고 시도했다. 그들의 기술은 건전했지만, 1933년 그들의 자리에 Lewis가 먼저 성공했으며, 그는 University of California의 자원을 가지고 있었다. Born–Oppenheimer 근사를 사용하여, Urey와 David Rittenberg는 수소와 중수소를 포함하는 가스의 성질을 계산했다. 그들은 이를 탄소, 질소, 산소의 화합물 농축으로 확장했다. 이들은 생화학에서 추적자로 사용될 수 있었으며, 화학 반응을 검사하는 완전히 새로운 방식을 초래했다. 그는 1932년 Journal of Chemical Physics를 창립했으며, 1940년까지 편집장으로 재직했다.
Columbia에서, Urey는 University Federation for Democracy and Intellectual Freedom의 의장을 맡았다. 그는 세계의 주요 민주주의 국가들의 연방 합의에 대한 Atlanticist Clarence Streit의 제안과 스페인 내전 동안의 공화당 대의를 지지했다. 그는 독일 나치즘의 초기 반대자였으며, Enrico Fermi를 포함한 망명 과학자들을 도와 미국에서 일자리를 찾고 새로운 나라에 적응하도록 도왔다.
Manhattan Project
1939년 유럽에서 제2차 세계대전이 발발했을 때까지, Urey는 동위원소 분리 분야의 세계적인 전문가로 인정받았다. 지금까지, 분리는 경원소만을 포함했다. 1939년과 1940년에, Urey는 원심 분리를 제안한 더 무거운 동위원소 분리에 관한 두 논문을 출판했다. Niels Bohr의 우라늄 235가 분열성이라는 추측으로 인해 이것은 큰 중요성을 가졌다. "연쇄 반응이 235를 나머지 우라늄에서 분리하지 않고 확립될 수 있을지는 매우 의심스러우므로," Urey는 우라늄 농축을 어떻게 달성할 수 있을지에 대한 집중적인 연구를 시작했다. 원심 분리와 별도로, George Kistiakowsky는 기체확산이 가능한 방법일 수 있다고 제안했다. 세 번째 가능성은 열확산이었다. Urey는 원자로에서 중성자 감속제로 사용될 수 있는 무거운 물을 생산하려는 노력을 포함하여 모든 동위원소 분리 연구 노력을 조정했다.
1941년 5월, Urey는 National Defense Research Committee NDRC의 일부로 우라늄 프로젝트를 감독한 Committee on Uranium에 임명되었다. 1941년, Urey와 George B. Pegram는 원자폭탄 개발에서의 협력을 확립하기 위해 England로의 외교 사절단을 이끌었다. 영국인들은 기체확산에 대해 낙관적이었지만, 기체확산과 원심 분리 방법 모두 엄청난 기술적 장애물에 직면했다는 것이 명확했다. 1943년 5월, Manhattan Project가 탄력을 받으면서, Urey는 Columbia의 전시 Substitute Alloy Materials Laboratories SAM Laboratories의 책임자가 되었으며, 이는 무거운 물과 Ernest Lawrence의 전자기 공정을 제외한 모든 동위원소 농축 공정을 담당했다.
원심 분리 방법에 대한 초기 보고서는 예측한 것만큼 효율적이지 않음을 나타냈다. Urey는 이전의 통과 방식 대신 더 효율적이지만 기술적으로 더 복잡한 역류 시스템을 사용할 것을 제안했다. 1941년 11월까지, 기술적 장애물은 공정 포기를 위해 충분히 심각해 보였다. 역류 원심분리기는 전후에 개발되었으며, 오늘날 많은 국가에서 선호되는 방법이다.
기체확산 공정은 여전히 더 격려적이었으며, 비록 그것도 극복할 기술적 장애물이 있었지만. 1943년 말까지, Urey는 기체확산에서 700명 이상의 사람들이 자신을 위해 일하고 있었다. 이 공정은 수백 개의 캐스케이드를 포함했으며, 부식성 육불화우라늄이 기체 장벽을 통해 확산되어 모든 단계에서 점점 더 농축되었다. 주요 문제는 펌프의 적절한 씰을 찾는 것이었지만, 가장 큰 어려움은 적절한 확산 장벽을 구성하는 것이었다. 거대한 K-25 기체확산 공장의 건설은 1944년 수량으로 적절한 장벽을 사용할 수 있게 되기 전에 잘 진행되고 있었다. 백업으로, Urey는 열확산을 지지했다.
노력으로 지쳐서, Urey는 1945년 2월 프로젝트를 떠났으며, 그의 책임을 R. H. Crist에게 인계했다. K-25 공장은
