Harold Urey

A vida não é um milagre. É um fenômeno natural e pode-se esperar que apareça sempre que houver um planeta cujas condições duplicarem as da Terra.

Harold Clayton Urey foi um químico físico americano cujo trabalho pioneiro sobre isótopos lhe rendeu o Prêmio Nobel de Química em 1934 pela descoberta do deutério. Ele desempenhou um papel significativo no desenvolvimento da bomba atômica, além de contribuir para teorias sobre o desenvolvimento da vida orgânica a partir de matéria não viva.

Nascido em Walkerton, Indiana, Urey estudou termodinâmica sob Gilbert N. Lewis na Universidade da Califórnia, Berkeley. Depois de receber seu PhD em 1923, foi agraciado com uma bolsa da Fundação Americana-Escandinava para estudar no Instituto Niels Bohr em Copenhagen. Foi pesquisador associado na Universidade Johns Hopkins antes de se tornar professor associado de Química na Universidade de Columbia. Em 1931, começou trabalhos com a separação de isótopos que resultaram na descoberta do deutério.

Durante a Segunda Guerra Mundial, Urey aplicou seu conhecimento sobre separação de isótopos ao problema do enriquecimento de urânio. Liderou o grupo localizado na Universidade de Columbia que desenvolveu a separação de isótopos usando difusão gasosa. O método foi desenvolvido com sucesso, tornando-se o único método utilizado no período pós-guerra inicial. Após a guerra, Urey tornou-se professor de química no Instituto de Estudos Nucleares e, posteriormente, professor Ryerson de química na Universidade de Chicago.

Urey especulou que a atmosfera terrestre primitiva era composta de amônia, metano e hidrogênio. Um de seus alunos de pós-graduação em Chicago foi Stanley L. Miller, que demonstrou no experimento Miller-Urey que, se tal mistura fosse exposta a faíscas elétricas e água, poderia interagir para produzir aminoácidos, comumente considerados os blocos de construção da vida. O trabalho com isótopos de oxigênio levou ao pioneirismo do novo campo da pesquisa paleoclimática. Em 1958, aceitou um cargo de professor em geral na nova Universidade da Califórnia, San Diego UCSD, onde ajudou a criar a faculdade de ciências. Foi um dos membros fundadores da escola de química da UCSD, que foi criada em 1960. Tornou-se cada vez mais interessado em ciência espacial e, quando Apollo 11 retornou amostras de rochas lunares da Lua, Urey as examinou no Laboratório de Recebimento Lunar. O astronauta lunar Harrison Schmitt disse que Urey se aproximou dele como voluntário para uma missão unidirecional à Lua, afirmando "Eu vou, e não me importo se não voltar."

Primeiros anos

Harold Clayton Urey nasceu em 29 de abril de 1893, em Walkerton, Indiana, filho de Samuel Clayton Urey, professor de escola e ministro da Igreja dos Irmãos, e sua esposa Cora Rebecca née Reinoehl. Tinha um irmão mais jovem, Clarence, e uma irmã mais jovem, Martha. A família se mudou para Glendora, Califórnia depois que Samuel ficou seriamente doente com tuberculose, na esperança de que o clima melhorasse sua saúde. Quando ficou claro que ele morreria, a família voltou para Indiana para viver com a mãe viúva de Cora. Samuel morreu quando Harold Urey tinha seis anos de idade.

Urey foi educado em uma escola de ensino fundamental Amish, da qual se formou aos 14 anos. Depois frequentou o ensino médio em Kendallville, Indiana. Depois de se formar em 1911, obteve um certificado de professor do Earlham College e ensinou em uma pequena escola em Indiana. Mais tarde, mudou-se para Montana, onde sua mãe estava vivendo, e continuou ensinando lá.

Urey entrou na Universidade de Montana em Missoula no outono de 1914. Diferentemente das universidades do Leste da época, a Universidade de Montana era coeducacional tanto em alunos quanto em professores. Lá, Urey recebeu um diploma de Bacharel em Ciências BS em zoologia em 1917.

Como resultado da entrada dos Estados Unidos na Primeira Guerra Mundial naquele ano, havia pressão forte para apoiar o esforço de guerra. Urey havia sido criado em uma seita religiosa que se opunha à guerra. Um de seus professores sugeriu que ele apoiasse o esforço de guerra trabalhando como químico. Urey conseguiu um emprego na Barrett Chemical Company em Filadélfia, fabricando TNT, em vez de se juntar ao exército como soldado. Após a guerra, retornou à Universidade de Montana como instrutor de Química.

Uma carreira acadêmica exigia um doutorado, então em 1921 Urey se inscreveu em um programa de PhD na Universidade da Califórnia, Berkeley, onde estudou termodinâmica sob Gilbert N. Lewis. Sua tentativa inicial de tese foi sobre a ionização de vapor de césio. Ele enfrentou dificuldades e Meghnad Saha publicou um artigo melhor sobre o mesmo assunto. Urey então escreveu sua tese sobre os estados de ionização de um gás ideal, que foi posteriormente publicada na Astrophysical Journal. Depois de receber seu PhD em 1923, Urey foi agraciado com uma bolsa da Fundação Americana-Escandinava para estudar no Instituto Niels Bohr em Copenhagen, onde conheceu Werner Heisenberg, Hans Kramers, Wolfgang Pauli, Georg von Hevesy e John Slater. No final de sua estadia, viajou para a Alemanha, onde conheceu Albert Einstein e James Franck.

Ao retornar aos Estados Unidos, Urey recebeu uma oferta de bolsa do National Research Council para a Universidade de Harvard, e também recebeu uma oferta para ser pesquisador associado na Universidade Johns Hopkins. Ele escolheu a última. Antes de assumir o cargo, viajou para Seattle, Washington, para visitar sua mãe. No caminho, parou em Everett, Washington, onde conhecia uma mulher chamada Kate Daum. Kate apresentou Urey a sua irmã, Frieda. Urey e Frieda logo ficaram noivos. Eles se casaram na casa do pai dela em Lawrence, Kansas, em 1926. O casal teve quatro filhos: Gertrude Bessie Elisabeth, nascida em 1927; Frieda Rebecca, nascida em 1929; Mary Alice, nascida em 1934; e John Clayton Urey, nascido em 1939.

Em Johns Hopkins, Urey e Arthur Ruark escreveram Atoms, Quanta and Molecules 1930, um dos primeiros textos em inglês sobre mecânica quântica e suas aplicações a sistemas atômicos e moleculares. Em 1929, Urey tornou-se professor associado de Química na Universidade de Columbia, onde seus colegas incluíam Rudolph Schoenheimer, David Rittenberg e T. I. Taylor.

Deutério

Na década de 1920, William Giauque e Herrick L. Johnston descobriram os isótopos estáveis de oxigênio. Os isótopos não eram bem compreendidos na época; James Chadwick não descobriria o nêutron até 1932. Dois sistemas estavam em uso para classificá-los, baseados em propriedades químicas e físicas. O último foi determinado usando o espectrógrafo de massa. Como era conhecido que o peso atômico do oxigênio era quase exatamente 16 vezes mais pesado que o hidrogênio, Raymond Birge e Donald Menzel hipotizaram que o hidrogênio também tinha mais de um isótopo. Com base na diferença entre os resultados dos dois métodos, eles previram que apenas um átomo de hidrogênio em 4.500 era do isótopo pesado.

Em 1931, Urey se propôs a encontrá-lo. Urey e George Murphy calcularam a partir da série de Balmer que o isótopo pesado deveria ter linhas deslocadas para o vermelho por 1,1 a 1,8 ångströms 1,1×10−10 a 1,8×10−10 metros. Urey tinha acesso a um espectrógafo de rede de 21 pés 6,4 m, um dispositivo sensível que havia sido recentemente instalado em Columbia e era capaz de resolver a série de Balmer. Com uma resolução de 1 Å por milímetro, a máquina deveria ter produzido uma diferença de cerca de 1 milímetro. No entanto, como apenas um átomo em 4.500 era pesado, a linha no espectrógafo era muito fraca. Urey, portanto, decidiu atrasar a publicação de seus resultados até ter evidências mais conclusivas de que era hidrogênio pesado.

Urey e Murphy calcularam a partir do modelo de Debye que o isótopo pesado teria um ponto de ebulição ligeiramente mais alto do que o leve. Aquecendo cuidadosamente hidrogênio líquido, 5 litros de hidrogênio líquido poderiam ser destilados para 1 mililitro, que seria enriquecido no isótopo pesado por 100 a 200 vezes. Para obter cinco litros de hidrogênio líquido, eles viajaram para o laboratório de criogenia no National Bureau of Standards em Washington, D.C., onde obtiveram a ajuda de Ferdinand Brickwedde, que Urey conhecia de Johns Hopkins.

A primeira amostra que Brickwedde enviou foi evaporada a 20 K −253,2 °C; −423,7 °F a uma pressão de 1 atmosfera padrão 100 kPa. Para sua surpresa, isto não mostrou nenhuma evidência de enriquecimento. Brickwedde então preparou uma segunda amostra evaporada a 14 K −259,1 °C; −434,5 °F a uma pressão de 53 mmHg 7,1 kPa. Nesta amostra, as linhas de Balmer para hidrogênio pesado eram sete vezes mais intensas. O artigo anunciando a descoberta do hidrogênio pesado, posteriormente denominado deutério, foi publicado conjuntamente por Urey, Murphy e Brickwedde em 1932. Urey foi agraciado com o Prêmio Nobel de Química em 1934 "por sua descoberta de hidrogênio pesado". Ele recusou-se a participar da cerimônia em Stockholm, para que pudesse estar presente no nascimento de sua filha Mary Alice.

Trabalhando com Edward W. Washburn do Bureau of Standards, Urey descobriu subsequentemente a razão pela qual a amostra era anômala. O hidrogênio de Brickwedde havia sido separado da água por eletrólise, resultando em amostra empobrecida. Além disso, Francis William Aston agora informou que seu valor calculado para o peso atômico do hidrogênio estava errado, invalidando assim o raciocínio original de Birge e Menzel. A descoberta do deutério permaneceu, no entanto.

Urey e Washburn tentaram usar eletrólise para criar água pesada pura. Sua técnica era correta, mas foram superados em 1933 por Lewis, que tinha os recursos da Universidade da Califórnia à sua disposição. Usando a aproximação Born-Oppenheimer, Urey e David Rittenberg calcularam as propriedades de gases contendo hidrogênio e deutério. Eles estenderam isto para enriquecer compostos de carbono, nitrogênio e oxigênio. Estes poderiam ser usados como traçadores em bioquímica, resultando em uma forma totalmente nova de examinar reações químicas. Ele fundou o Journal of Chemical Physics em 1932 e foi seu primeiro editor, servindo nessa capacidade até 1940.

Em Columbia, Urey presidiu a University Federation for Democracy and Intellectual Freedom. Ele apoiou a proposta de Clarence Streit para uma união federal das principais democracias do mundo, e a causa republicana durante a Guerra Civil Espanhola. Era um opositor inicial do Nazismo alemão e ajudou cientistas refugiados, incluindo Enrico Fermi, ao ajudá-los a encontrar trabalho nos Estados Unidos e a se adaptar à vida em um novo país.

Projeto Manhattan

Quando a Segunda Guerra Mundial começou na Europa em 1939, Urey era reconhecido como um especialista mundial em separação de isótopos. Até então, a separação havia envolvido apenas elementos leves. Em 1939 e 1940, Urey publicou dois artigos sobre a separação de isótopos mais pesados nos quais propôs separação centrífuga. Isto ganhou grande importância devido à especulação de Niels Bohr de que o urânio 235 era fissível. Porque era considerado "muito duvidoso se uma reação em cadeia pode ser estabelecida sem separar 235 do resto do urânio," Urey começou estudos intensivos sobre como o enriquecimento de urânio poderia ser alcançado. Além da separação centrífuga, George Kistiakowsky sugeriu que a difusão gasosa poderia ser um método possível. Uma terceira possibilidade era a difusão térmica. Urey coordenou todos os esforços de pesquisa de separação de isótopos, incluindo o esforço para produzir água pesada, que poderia ser usada como moderador de nêutrons em reatores nucleares.

Em maio de 1941, Urey foi nomeado para o Comitê sobre Urânio, que supervisionava o projeto de urânio como parte do National Defense Research Committee NDRC. Em 1941, Urey e George B. Pegram lideraram uma missão diplomática para a Inglaterra para estabelecer cooperação no desenvolvimento da bomba atômica. Os britânicos eram otimistas sobre difusão gasosa, mas era claro que ambos os métodos gasosos e centrífugos enfrentavam obstáculos técnicos formidáveis. Em maio de 1943, conforme o Projeto Manhattan ganhava impulso, Urey tornou-se chefe dos laboratórios de Substitute Alloy Materials SAM Labs em tempo de guerra em Columbia, que era responsável pela água pesada e todos os processos de enriquecimento de isótopos, exceto o processo eletromagnético de Ernest Lawrence.

Os primeiros relatórios sobre o método centrífugo indicavam que não era tão eficiente quanto previsto. Urey sugeriu que um sistema contracorrente mais eficiente, mas tecnicamente mais complicado, fosse usado em vez do método de fluxo contínuo anterior. Por novembro de 1941, obstáculos técnicos pareciam formidáveis o suficiente para o processo ser abandonado. Centrífugas contracorrente foram desenvolvidas após a guerra e hoje são o método preferido em muitos países.

O processo de difusão gasosa permaneceu mais promissor, embora também tivesse obstáculos técnicos a superar. No final de 1943, Urey tinha mais de 700 pessoas trabalhando para ele em difusão gasosa. O processo envolveu centenas de cascatas, nas quais hexafluoreto de urânio corrosivo se difundiu através de barreiras gasosas, tornando-se progressivamente mais enriquecido em cada estágio. Um grande problema era encontrar selos apropriados para as bombas, mas de longe a maior dificuldade estava na construção de uma barreira de difusão apropriada. A construção da enorme usina K-25 de difusão gasosa estava bem avançada antes de uma barreira adequada estar disponível em quantidade em 1944. Como backup, Urey apoiou a difusão térmica.

Exausto pelos esforços, Urey deixou o projeto em fevereiro de 1945, transferindo suas responsabilidades para R. H. Crist. A usina K-25 começou a operação em março de 1945 e, conforme os problemas foram resolvidos, a usina operou com notável eficiência e economia