Harold Urey

Жизнь — это не чудо. Это естественное явление, и его можно ожидать везде, где есть планета, условия на которой повторяют условия на Земле.

Harold Clayton Urey был американским физическим химиком, чья пионерская работа по изотопам принесла ему Нобелевскую премию по химии в 1934 году за открытие дейтерия. Он сыграл значительную роль в разработке атомной бомбы, а также внес вклад в теории развития органической жизни из неживой материи.

Родившись в Walkertonе, Indiana, Urey изучал термодинамику под руководством Gilbert N. Lewis в Калифорнийском университете Berkeley. После получения степени доктора философии в 1923 году ему была присуждена стипендия Американо-скандинавского фонда для обучения в Institut Niels Bohr в Copenhagen. Он был научным сотрудником в Johns Hopkins University, прежде чем стать доцентом химии в Columbia University. В 1931 году он начал работу по разделению изотопов, которая привела к открытию дейтерия.

Во время Второй мировой войны Urey обратил свои знания о разделении изотопов на проблему обогащения урана. Он руководил группой в Columbia University, которая разработала разделение изотопов с использованием газовой диффузии. Метод был успешно разработан и стал единственным методом, используемым в ранний послевоенный период. После войны Urey стал профессором химии в Institut for Nuclear Studies, а позднее профессором Ryerson химии в Чикагском университете.

Urey предположил, что ранняя земная атмосфера состояла из аммиака, метана и водорода. Одним из его аспирантов в Чикаго был Stanley L. Miller, который продемонстрировал в эксперименте Miller–Urey, что если такая смесь подвергается воздействию электрических разрядов и воды, она может взаимодействовать с образованием аминокислот, обычно считающихся строительными блоками жизни. Работа с изотопами кислорода привела к открытию нового поля палеоклиматических исследований. В 1958 году он принял должность профессора в новом Калифорнийском университете, San Diego UCSD, где помогал создавать факультет науки. Он был одним из основателей школы химии UCSD, которая была создана в 1960 году. Он все больше интересовался космической наукой, и когда Apollo 11 вернул образцы лунного камня с луны, Urey изучал их в Lunar Receiving Laboratory. Лунный астронавт Harrison Schmitt сказал, что Urey подошел к нему как добровольцев для односторонней миссии на Луну, заявив: «Я поеду, и мне не важно, вернусь я или нет».

Ранняя жизнь

Harold Clayton Urey родился 29 апреля 1893 года в Walkertonе, Indiana, сын Samuel Clayton Urey, школьного учителя и служителя Church of the Brethren, и его жены Cora Rebecca née Reinoehl. У него был младший брат Clarence и младшая сестра Martha. Семья переехала в Glendora, California, после того как Samuel серьезно заболел туберкулезом в надежде, что климат улучшит его здоровье. Когда стало ясно, что он умрет, семья вернулась в Indiana, чтобы жить с овдовевшей матерью Cora. Samuel умер, когда Harold Urey было шесть лет.

Urey учился в начальной школе Amish, откуда он закончился в возрасте 14 лет. Затем он посещал среднюю школу в Kendallville, Indiana. После выпуска в 1911 году он получил учительский сертификат от Earlham College и преподавал в небольшом школьном здании в Indiana. Позднее он переехал в Montana, где тогда жила его мать, и продолжил преподавать там.

Urey поступил в Монтанский университет в Missoula осенью 1914 года. В отличие от восточных университетов того времени, Монтанский университет был совместным обучением как студентов, так и учителей. Там Urey получил степень бакалавра науки в зоологии в 1917 году.

В результате вступления Соединенных Штатов в Первую мировую войну в том году было сильное давление для поддержки военных усилий. Urey был воспитан в религиозной секте, которая противилась войне. Один из его профессоров предложил ему поддержать военные усилия, работая химиком. Urey получил работу в Barrett Chemical Company в Philadelphia, производя TNT, а не присоединяясь к армии в качестве солдата. После войны он вернулся в Монтанский университет в качестве преподавателя химии.

Академическая карьера требовала доктора наук, поэтому в 1921 году Urey поступил в аспирантуру в Калифорнийский университет, Berkeley, где изучал термодинамику под руководством Gilbert N. Lewis. Его первая попытка написания диссертации была о ионизации паров цезия. Он столкнулся с трудностями, и Meghnad Saha опубликовал лучшую статью по той же теме. Затем Urey написал диссертацию об ионизационных состояниях идеального газа, которая была впоследствии опубликована в Astrophysical Journal. После получения степени доктора философии в 1923 году Urey был награжден стипендией от Американо-скандинавского фонда для обучения в Institut Niels Bohr в Copenhagen, где он встретил Werner Heisenberg, Hans Kramers, Wolfgang Pauli, Georg von Hevesy и John Slater. По окончании его пребывания он путешествовал в Germany, где встретил Albert Einstein и James Franck.

По возвращении в Соединенные Штаты Urey получил предложение стипендии National Research Council от Harvard University, а также получил предложение быть научным сотрудником в Johns Hopkins University. Он выбрал последнее. Прежде чем приступить к работе, он путешествовал в Seattle, Washington, чтобы посетить свою мать. По дороге он остановился в Everett, Washington, где он знал женщину по имени Kate Daum. Kate познакомила Urey со своей сестрой Frieda. Urey и Frieda вскоре обручились. Они поженились в доме ее отца в Lawrence, Kansas, в 1926 году. У супругов было четверо детей: Gertrude Bessie Elisabeth, родилась в 1927 году; Frieda Rebecca, родилась в 1929 году; Mary Alice, родилась в 1934 году; и John Clayton Urey, родился в 1939 году.

В Johns Hopkins Urey и Arthur Ruark написали Atoms, Quanta and Molecules в 1930 году, один из первых английских текстов по квантовой механике и его применению к атомным и молекулярным системам. В 1929 году Urey стал доцентом химии в Columbia University, где его коллегами были Rudolph Schoenheimer, David Rittenberg и T. I. Taylor.

Дейтерий

В 1920-х годах William Giauque и Herrick L. Johnston открыли стабильные изотопы кислорода. Изотопы не были хорошо поняты в то время; James Chadwick не открыл бы нейтрон до 1932 года. Для их классификации использовались две системы, основанные на химических и физических свойствах. Последние определялись с использованием масс-спектрографа. Поскольку было известно, что атомный вес кислорода был почти ровно в 16 раз тяжелее водорода, Raymond Birge и Donald Menzel выдвинули гипотезу, что водород также имел более одного изотопа. Основываясь на разнице между результатами двух методов, они предсказали, что только один атом водорода из 4500 был тяжелым изотопом.

В 1931 году Urey начал его искать. Urey и George Murphy рассчитали из серии Balmer, что тяжелый изотоп должен иметь линии, сдвинутые в красное смещение на 1,1–1,8 ångströms (1,1×10−10–1,8×10−10 метров). Urey имел доступ к 21-футовому (6,4 м) дифракционному спектрографу, чувствительному устройству, которое было недавно установлено в Columbia и было способно разрешить серию Balmer. При разрешении 1 Å на миллиметр устройство должно было произвести разницу примерно в 1 миллиметр. Однако, поскольку только один атом из 4500 был тяжелым, линия на спектрографе была очень слабой. Поэтому Urey решил отложить публикацию своих результатов до тех пор, пока у него не было более убедительных доказательств того, что это тяжелый водород.

Urey и Murphy рассчитали из модели Debye, что тяжелый изотоп должен иметь немного более высокую точку кипения, чем легкий. Аккуратно нагревая жидкий водород, 5 литров жидкого водорода можно было дистиллировать до 1 миллилитра, которой был бы обогащен тяжелым изотопом в 100–200 раз. Чтобы получить пять литров жидкого водорода, они путешествовали в криогенную лабораторию в National Bureau of Standards в Washington, D.C., где получили помощь Ferdinand Brickwedde, которого Urey знал в Johns Hopkins.

Первый образец, отправленный Brickwedde, испарялся при 20 K (−253,2 °C; −423,7 °F) при давлении 1 стандартной атмосферы (100 kPa). К их удивлению, это не показало никаких признаков обогащения. Затем Brickwedde подготовил второй образец, испарявшийся при 14 K (−259,1 °C; −434,5 °F) при давлении 53 mmHg (7,1 kPa). На этом образце линии Balmer для тяжелого водорода были в семь раз более интенсивными. Статья, объявляющая об открытии тяжелого водорода, позднее названного дейтерием, была совместно опубликована Urey, Murphy и Brickwedde в 1932 году. Urey была присуждена Нобелевская премия по химии в 1934 году «за открытие тяжелого водорода». Он отказался присутствовать на церемонии в Stockholm, чтобы быть присутствующим при рождении своей дочери Mary Alice.

Работая с Edward W. Washburn из Bureau of Standards, Urey впоследствии обнаружил причину аномального образца. Водород Brickwedde был отделен от воды электролизом, что привело к истощенному образцу. Более того, Francis William Aston теперь сообщил, что его рассчитанное значение для атомного веса водорода было неправильным, тем самым аннулируя первоначальное рассуждение Birge и Menzel. Открытие дейтерия, однако, сохранилось.

Urey и Washburn попытались использовать электролиз для создания чистой тяжелой воды. Их методика была звуковой, но они были опередены в 1933 году Lewis, которые имели в своем распоряжении ресурсы Калифорнийского университета. Используя приближение Born–Oppenheimer, Urey и David Rittenberg рассчитали свойства газов, содержащих водород и дейтерий. Они расширили это на обогащение соединений углерода, азота и кислорода. Они могли быть использованы как трассировщики в биохимии, что привело к совершенно новому способу изучения химических реакций. Он основал Journal of Chemical Physics в 1932 году и был его первым редактором, служа в этой роли до 1940 года.

В Columbia, Urey председательствовал в University Federation for Democracy and Intellectual Freedom. Он поддержал предложение сторонника atlanticist Clarence Streit о федеральном союзе основных демократий мира и республиканское дело во время Гражданской войны в Spain. Он был ранним противником нацизма Germany и помогал ученым-беженцам, включая Enrico Fermi, помогая им найти работу в Соединенных Штатах и адаптироваться к жизни в новой стране.

Проект Manhattan

К тому времени, когда Вторая мировая война началась в Europe в 1939 году, Urey был признан мировым экспертом по разделению изотопов. До сих пор разделение охватывало только легкие элементы. В 1939 и 1940 годах Urey опубликовал две статьи о разделении более тяжелых изотопов, в которых он предложил центрифугальное разделение. Это приобрело большое значение из-за спекуляций Niels Bohr, что уран 235 был делящимся. Поскольку считалось «очень сомнительным, может ли быть установлена цепная реакция без отделения 235 от остального урана», Urey начал интенсивные исследования того, как может быть достигнуто обогащение урана. Помимо центрифугального разделения, George Kistiakowsky предположил, что газовая диффузия может быть возможным методом. Третья возможность была тепловая диффузия. Urey координировал все усилия по разделению изотопов, включая усилия по производству тяжелой воды, которая могла быть использована как модератор нейтронов в ядерных реакторах.

В мае 1941 года Urey был назначен в Committee on Uranium, который контролировал проект урана как часть National Defense Research Committee (NDRC). В 1941 году Urey и George B. Pegram возглавили дипломатическую миссию в England для установления сотрудничества в разработке атомной бомбы. Британцы были оптимистичны в отношении газовой диффузии, но было ясно, что оба газовых и центрифугальных методы сталкивались с формидабельными техническими препятствиями. В мае 1943 года, когда Manhattan Project набирал обороты, Urey стал главой военной Substitute Alloy Materials Laboratories (SAM Laboratories) в Columbia, которая была ответственна за тяжелую воду и все процессы обогащения изотопов, кроме электромагнитного процесса Ernest Lawrence.

Ранние отчеты о центрифугальном методе указывали, что он был не таким эффективным, как прогнозировалось. Urey предложил, чтобы вместо предыдущего проточного метода использовался более эффективный, но технически более сложный противоточный система. К ноябрю 1941 года технические препятствия казались достаточно формидабельными для того, чтобы процесс был заброшен. Противоточные центрифуги были разработаны после войны, и сегодня являются предпочтительным методом во многих странах.

Процесс газовой диффузии оставался более обнадеживающим, хотя он также имел технические препятствия для преодоления. К концу 1943 года у Urey было более 700 человек, работающих на него на газовой диффузии. Процесс включал сотни каскадов, в которых коррозионный гексафторид урана диффундировал через газовые барьеры, становясь прогрессивно более обогащенным на каждом этапе. Основной проблемой было найти надлежащие уплотнения для насосов, но наиболее серьезная трудность заключалась в конструировании надлежащего диффузионного барьера. Строительство огромного завода K-25 по газовой диффузии было уже хорошо в пути до того, как подходящий барьер стал доступным в количестве в 1944 году. Как резервный вариант, Urey поддержал тепловую диффузию.

Истощенный усилиями, Urey покинул проект в феврале 1945 года, передав свои обязанности R. H. Crist. Завод K-25 начал работу в марте 1945 года, и по мере устранения ошибок завод работал с замечательной эффективностью и хозяйственностью