Yaşam bir mucize değildir. Doğal bir olaydır ve Dünya'nınkini taklit eden koşullara sahip herhangi bir gezegen üzerinde ortaya çıkması beklenebilir.
Harold Clayton Urey, izotoplar üzerine öncü çalışması nedeniyle 1934'te Kimya Nobel Ödülü'ne layık görülen ve deuterium'un keşfi ile tanınan Amerikalı fiziksel kimyagerdı. Atom bombasının geliştirilmesinde önemli bir rol oynadı ve ayrıca cansız maddeden organik yaşamın gelişim teorilerine katkıda bulundu.
Indiana'nın Walkerton kentinde doğan Urey, Kaliforniya Üniversitesi Berkeley'de Gilbert N. Lewis altında termodinamik okudu. 1923'te doktorasını aldıktan sonra, Amerikan-İskandinav Vakfı tarafından Kopenhag'daki Niels Bohr Enstitüsü'nde çalışmak için burs verildi. Johns Hopkins Üniversitesi'nde araştırma görevlisi olmadan önce Columbia Üniversitesi'nde Kimya yardımcı profesörü oldu. 1931'de deuterium'un keşfi ile sonuçlanan izotop ayrımı çalışmasına başladı.
İkinci Dünya Savaşı sırasında Urey, izotop ayrımı bilgisini uranyum zenginleştirilmesi sorununa yöneltti. Columbia Üniversitesi'nde bulunan ve gaz difüzyonu kullanarak izotop ayrımı geliştiren grubu başlattı. Yöntem başarıyla geliştirildi ve savaş sonrası erken dönemde kullanılan tek yöntem haline geldi. Savaştan sonra Urey, Nükleer Araştırmalar Enstitüsü'nde kimya profesörü oldu ve daha sonra Chicago Üniversitesi'nde Ryerson kimya profesörü oldu.
Urey, erken dönem yer atmosferinin amonyak, metan ve hidrojen ile oluştuğunu varsaydı. Chicago'daki lisansüstü öğrencilerinden biri Stanley L. Miller'dı ve Miller-Urey deneyinde böyle bir karışımın elektrik çarpılarına ve suya maruz bırakılması durumunda yaşamın yapı taşları olarak kabul edilen amino asitleri üretmek için etkileşime girebileceğini gösterdi. Oksijen izotopları ile yapılan çalışmalar, paleoklimatik araştırmanın yeni alanını öncülüğünü yaptı. 1958'de yeni Kaliforniya Üniversitesi San Diego UCSD'de profesör olarak atandı ve burada bilim fakültesinin oluşturulmasına yardımcı oldu. UCSD'nin 1960'ta oluşturulan kimya okulu'nun kurucu üyelerinden biriydi. Uzay bilimine giderek daha fazla ilgi duymaya başladı ve Apollo 11 aydan ay taşı örnekleri geri getirdiğinde, Urey bunları Lunar Receiving Laboratory'de inceledi. Ay astronotu Harrison Schmitt, Urey'nin geri dönmediğini umursamadan Ay'a gitmek için tek yönlü bir görev gönüllüsü olarak kendisine yaklaştığını söyleyerek "Gideceğim ve dönüp dönmediğimi umursamıyorum." dedi.
Erken yaşam
Harold Clayton Urey, 29 Nisan 1893'te Indiana'nın Walkerton kentinde doğdu. Babası Samuel Clayton Urey, öğretmen ve Bretren Kilisesi'nde vaiz, annesi ise Cora Rebecca née Reinoehl'di. Daha genç bir erkek kardeşi Clarence ve daha genç bir kız kardeşi Martha vardı. Samuel ağır şekilde verem hastalığına yakalandığında aile, sağlığını iyileştirmek umudunda Kaliforniya'nın Glendora kentine taşındı. Onun öleceği anlaşıldığında, aile Cora'nın dul kalan annesinin yanında yaşamak için Indiana'ya geri döndü. Samuel, Harold Urey altı yaşındayken öldü.
Urey, 14 yaşında mezun olduğu bir Amish ilkokulu'nda eğitim aldı. Daha sonra Indiana'nın Kendallville kentinde liseye gitti. 1911'de mezun olduktan sonra, Earlham College'dan öğretmen belgesi aldı ve Indiana'da küçük bir okul binasında öğretmenlik yaptı. Daha sonra annesi yaşayan Montana'ya taşındı ve orada öğretmenliğe devam etti.
Urey, 1914'ün sonbaharında Missoula'daki Montana Üniversitesi'ne girdi. Dönemin Doğu üniversitelerinden farklı olarak, Montana Üniversitesi hem öğrenciler hem de öğretmenler açısından karma eğitim veren bir kurum idi. Burada Urey 1917'de zooloji alanında Bilim Lisans (BS) derecesini aldı.
O yıl Amerika Birleşik Devletleri'nin Birinci Dünya Savaşı'na girmesinin bir sonucu olarak, savaş çabasını destekleme konusunda güçlü bir baskı vardı. Urey, savaşa karşı çıkan dinsel bir mezhepte yetiştirilmişti. Profesörlerinden biri, savaş zamanı çabasını desteklemek için kimyager olarak çalışmasını önerdi. Urey, asker olarak orduya katılmak yerine, Philadelphia'daki Barrett Chemical Company'de TNT üreten bir iş aldı. Savaştan sonra, Montana Üniversitesi'ne Kimya öğretim görevlisi olarak döndü.
Akademik bir kariyer doktora derecesi gerektirdiği için, 1921'de Urey, Kaliforniya Üniversitesi Berkeley'de doktora programına kaydoldu ve burada Gilbert N. Lewis altında termodinamik okudu. Tezinin ilk denemesi sezyum buharının iyonlaşması üzerineydi. Zorluk yaşadı ve Meghnad Saha aynı konuda daha iyi bir makale yayınladı. Urey daha sonra ideal gazın iyonizasyon durumları üzerine tezini yazdı ve bu daha sonra Astrophysical Journal'da yayımlandı. 1923'te doktorasını aldıktan sonra, Urey, Amerikan-İskandinav Vakfı tarafından Kopenhag'daki Niels Bohr Enstitüsü'nde çalışmak için burs verildi ve burada Werner Heisenberg, Hans Kramers, Wolfgang Pauli, Georg von Hevesy ve John Slater ile tanıştı. Kalış süresinin sonunda Almanya'ya gitti ve burada Albert Einstein ve James Franck ile tanıştı.
Amerika Birleşik Devletleri'ne döndüğünde, Urey, Harvard Üniversitesi'ne Ulusal Araştırma Konseyi bursunun teklifini aldı ve ayrıca Johns Hopkins Üniversitesi'nde araştırma görevlisi olma teklifini aldı. İkincisini seçti. Göreve başlamadan önce, annesini ziyaret etmek için Washington'un Seattle kentine gitti. Yolda Everett, Washington'da durdu ve Kate Daum adında bildiği bir kadın ile karşılaştı. Kate, Urey'yi kız kardeşi Frieda'ya tanıttı. Urey ve Frieda kısa süre sonra nişanlandı. 1926'da Kansas'ın Lawrence kentindeki babasının evinde evlendiler. Çiftin dört çocuğu vardı: 1927'de doğan Gertrude Bessie Elisabeth; 1929'da doğan Frieda Rebecca; 1934'te doğan Mary Alice ve 1939'da doğan John Clayton Urey.
Johns Hopkins'te, Urey ve Arthur Ruark, Atoms, Quanta and Molecules'i (1930) yazdı; bu, kuantum mekaniği ve bunun atom ve moleküler sistemlere uygulamaları hakkındaki ilk İngilizce metinlerden biriydi. 1929'da Urey, Columbia Üniversitesi'nde Kimya yardımcı profesörü oldu; buradaki meslektaşları Rudolph Schoenheimer, David Rittenberg ve T. I. Taylor'dı.
Deuterium
1920'lerde William Giauque ve Herrick L. Johnston, oksijen'in kararlı izotoplarını keşfettiler. Izotoplar o zamanlar iyi anlaşılmamıştı; James Chadwick nötron'u 1932'ye kadar keşfetmeyecekti. Bunları sınıflandırmak için kimyasal ve fiziksel özelliklere dayanan iki sistem kullanılıyordu. İkincisi kütle spektrografı kullanılarak belirlenmiştir. Oksijen'in atom ağırlığının hidrojen'den tam olarak 16 kat daha ağır olduğu bilindiğinden, Raymond Birge ve Donald Menzel, hidrojen'in de birden fazla izotopa sahip olabileceğini varsaydılar. İki yöntemin sonuçları arasındaki farka dayanarak, 4.500 hidrojen atomunda sadece birinin ağır izotop olduğunu öngördüler.
1931'de Urey, bunu bulmaya başladı. Urey ve George Murphy, Balmer serisinden, ağır izotopun 1,1 ila 1,8 ångström (1,1×10−10 ila 1,8×10−10 metre) ile kırmızıya kaymış çizgileri olması gerektiğini hesapladılar. Urey, Columbia'da yakın zamanda kurulmuş olan ve Balmer serisini çözmek için yeterli duyarlılığa sahip olan 21 metrelik (6,4 m) ızgaralı bir spektrografa erişimi vardı. Bir milimetre başına 1 Å çözünürlüğe sahip olan cihazın yaklaşık 1 milimetrelik bir fark üretmesi gerekirdi. Ancak, 4.500 atomda sadece biri ağır olduğundan, spektrografik çizgi çok zayıftı. Urey bu nedenle, ağır hidrojen olduğu hakkında daha kesin kanıt elde edene kadar sonuçları yayınlamayı geciktirmeye karar verdi.
Urey ve Murphy, Debye modelinden, ağır izotopun hafif olanından biraz daha yüksek bir kaynama noktasına sahip olduğunu hesapladılar. Sıvı hidrojen'i dikkatlice ısıtarak, 5 litre sıvı hidrojen 1 mililitreye damıtılabilir ve bu, ağır izotop tarafından 100 ila 200 kat zenginleştirilmiş olurdu. Beş litre sıvı hidrojen elde etmek için, Washington, D.C.'deki Ulusal Standartlar Bürosu'nda kryojenik laboratuvarına gittiler ve Urey'nin Johns Hopkins'te tanıdığı Ferdinand Brickwedde'nin yardımını aldılar.
Brickwedde tarafından gönderilen ilk örnek 20 K (−253,2 °C; −423,7 °F) sıcaklıkta ve 1 standart atmosfer (100 kPa) basınçta buharlaştırıldı. Onların şaşkınlığına, bu zenginleştirme kanıtı göstermedi. Brickwedde daha sonra 14 K (−259,1 °C; −434,5 °F) sıcaklıkta ve 53 mmHg (7,1 kPa) basınçta buharlaştırılan ikinci bir örnek hazırladı. Bu numunede, ağır hidrojen için Balmer çizgileri yedi kat daha yoğundu. Ağır hidrojenin keşfini açıklayan makale, daha sonra deuterium olarak adlandırılan, 1932'de Urey, Murphy ve Brickwedde tarafından ortak olarak yayımlandı. Urey'ye 1934'te Kimya Nobel Ödülü "ağır hidrojen'in keşfi için" verildi. Kız kardeşi Mary Alice'in doğumunda bulunabilmek için Stokholm'daki törene katılmayı reddetti.
Standartlar Bürosu'ndan Edward W. Washburn ile çalışarak, Urey daha sonra anormal numune için nedeni keşfetti. Brickwedde'nin hidrojen, elektroliz yoluyla sudan ayrılmıştı ve bu da yoksul bir numuneyle sonuçlanmıştı. Dahası, Francis William Aston artık hidrojen'in atom ağırlığı için hesaplanan değerinin yanlış olduğunu bildirdi ve bu da Birge ve Menzel'in orijinal akıl yürütmesini geçersiz kıldı. Deuterium'un keşfi yine de başarılı oldu.
Urey ve Washburn, saf ağır su oluşturmak için elektroliz kullanmayı denediler. Teknik sağlamdı, ancak 1933'te kendi imkânları olan Lewis tarafından geçildi. Born-Oppenheimer yaklaşımını kullanarak, Urey ve David Rittenberg, hidrojen ve deuterium içeren gazların özelliklerini hesapladılar. Bunu karbon, azot ve oksijen bileşiklerini zenginleştirmeye genişlettiler. Bunlar biyokimyada izleyici olarak kullanılabilir ve kimyasal reaksiyonları incelemek için tamamen yeni bir yol yarattı. 1932'de Chemical Physics Journal'ı kurdu ve 1940'a kadar ilk editörü olarak görev yaptı.
Columbia'da Urey, Demokrasi ve Entelektüel Özgürlük Üniversite Federasyonu'nun başkanlığını yaptı. Atlantik'i destekleyen Clarence Streit'in dünyanın başlıca demokrasilerinin federal birliği için yapılan teklifini destekledi ve İspanyol İç Savaşı sırasında cumhuriyet tarafını destekledi. Alman Nazizmi'ne karşı erken bir muhalif olarak, Enrico Fermi de dahil olmak üzere mülteci bilim insanlarına yardım etti ve onların Amerika Birleşik Devletleri'nde iş bulmasına ve yeni bir ülkeye uyum sağlamasına yardımcı oldu.
Manhattan Projesi
1939'da Avrupa'da İkinci Dünya Savaşı patlak verdiğinde, Urey izotop ayrımı konusunda dünya çapında bir uzman olarak kabul edilmişti. Şimdiye kadar ayrım sadece hafif elementleri içermişti. 1939 ve 1940'ta Urey, daha ağır izotopların ayrımı hakkında iki makale yayınladı ve bu makalelerde santrifüj ayrımını önerdi. Niels Bohr'un uranyum 235'in fisyon maddesinin olduğuna dair spekülasyonları nedeniyle bu çok önem kazandı. "Bir zincir reaksiyonu 235'i uraniumun geri kalanından ayırmadan kurulup kurulamayacağı çok şüphelidir" düşüncesi nedeniyle, Urey uranyum zenginleştirilmesinin nasıl elde edilebileceği konusunda yoğun çalışmalara başladı. Santrifüj ayrımı dışında, George Kistiakowsky, gaz difüzyonunun olası bir yöntem olabileceğini önerdi. Üçüncü bir olasılık termal difüzyondu. Urey, ağır su üretme çabasını da içeren tüm izotop ayrımı araştırmalarını koordine etti; ağır su nükleer reaktörlerde nötron moderatörü olarak kullanılabilir.
Mayıs 1941'de Urey, Ulusal Savunma Araştırmaları Komitesi (NDRC)'nin bir parçası olarak uranyum projesini denetleyen Uranyum Komitesi'ne atandı. 1941'de Urey ve George B. Pegram, atom bombasının geliştirilmesinde işbirliği kurmak için İngiltere'ye bir diplomatik görev yaptı. İngilizler gaz difüzyonu hakkında iyimserdi, ancak hem gaz hem de santrifüj yöntemlerinin ciddi teknik engelleriyle karşı karşıya olduğu açıktı. Mayıs 1943'te, Manhattan Projesi hız kazandıkça, Urey Columbia'daki savaş zamanı Substitute Alloy Materials Laboratories (SAM Laboratories) başında oldu ve bu laboratuvar, Ernest Lawrence'ın elektromanyetik procesini hariç tutarak ağır su ve tüm izotop zenginleştirme proseslerinden sorumluydu.
Santrifüj yöntemi hakkındaki ilk raporlar bunun öngörülenden daha verimli olmadığını göstermişti. Urey, önceki akış yöntemi yerine daha verimli ancak teknik olarak daha karmaşık bir karşı akım sistemi kullanılmasını önerdi. Kasım 1941'e kadar, teknik engeller işlemin terk edilmesi için yeterince ciddi görünüyordu. Karşı akım santrifüjleri savaştan sonra geliştirildi ve bugün birçok ülkede tercih edilen yöntemdir.
Gaz difüzyonu işlemi, teknik engellerin aşılması gerekmesine rağmen, daha umut verici kaldı. 1943'ün sonunda Urey, gaz difüzyonu üzerinde çalışan 700'den fazla insanı bulundu. Proses, korozif uranyum heksaflorürün gaz bariyerleri aracılığıyla difüzyona uğradığı yüzlerce kaskattan oluşuyordu ve her aşamada giderek daha zenginleştiriliyordu. Başlıca sorun pompalar için uygun sızdırmazlıklar bulmak oldu, ancak şimdiye kadar en büyük güçlük uygun bir difüzyon bariyeri inşa etmekti. Muazzam K-25 gaz difüzyonu tesisinin inşaatı, uygun bir bariyer 1944'te toplu olarak mevcut olmadan çok önce yolda idi. Yedek olarak, Urey termal difüzyonu destekledi.
Çabadan yorgun düşen Urey, Şubat 1945'te projeyi terk etti ve sorumluluklarını R. H. Crist'e devretti. K-25 tesisi Mart 1945'te işletmeye başladı ve hatalar giderildikçe tesis dikkat çekici verimlilik ve ekonomi ile işletildi
