Harold Clayton Urey ( nacido el 29 de abril de 1893 - fallecido el 5 de enero de 1981) fue un físico químico estadounidense cuyo trabajo pionero sobre los isótopos le valió el Premio Nobel de Química en 1934 por el descubrimiento del deuterio . Desempeñó un papel importante en el desarrollo de la bomba atómica , además de contribuir a las teorías sobre el desarrollo de la vida orgánica a partir de materia no viva . [1]
Nacido en Walkerton, Indiana , Urey estudió termodinámica con Gilbert N. Lewis en la Universidad de California, Berkeley . Después de recibir su doctorado en 1923, la Fundación Estadounidense-Escandinava le concedió una beca para estudiar en el Instituto Niels Bohr de Copenhague . Fue investigador asociado en la Universidad Johns Hopkins antes de convertirse en profesor asociado de química en la Universidad de Columbia . En 1931, comenzó a trabajar en la separación de isótopos que dio como resultado el descubrimiento del deuterio.
Durante la Segunda Guerra Mundial, Urey aplicó sus conocimientos sobre separación de isótopos al problema del enriquecimiento de uranio . Dirigió el grupo ubicado en la Universidad de Columbia que desarrolló la separación de isótopos mediante difusión gaseosa . El método se desarrolló con éxito y se convirtió en el único método utilizado en el período inicial de posguerra. Después de la guerra, Urey se convirtió en profesor de química en el Instituto de Estudios Nucleares y, más tarde, profesor Ryerson de química en la Universidad de Chicago .
Urey especuló que la atmósfera terrestre primitiva estaba compuesta de amoníaco , metano e hidrógeno. Uno de sus estudiantes de posgrado en Chicago fue Stanley L. Miller , quien demostró en el experimento Miller-Urey que, si dicha mezcla se exponía a chispas eléctricas y agua, podía interactuar para producir aminoácidos , comúnmente considerados los componentes básicos de la vida. El trabajo con isótopos de oxígeno lo llevó a ser pionero en el nuevo campo de la investigación paleoclimática . En 1958, aceptó un puesto como profesor general en la nueva Universidad de California en San Diego (UCSD), donde ayudó a crear la facultad de ciencias. Fue uno de los miembros fundadores de la escuela de química de la UCSD, que se creó en 1960. Se interesó cada vez más en la ciencia espacial, y cuando el Apolo 11 trajo muestras de rocas lunares de la Luna, Urey las examinó en el Laboratorio de Recepción Lunar . El astronauta lunar Harrison Schmitt dijo que Urey se acercó a él como voluntario para una misión de ida a la Luna, diciendo: "Iré y no me importa si no regreso". [2]
Harold Clayton Urey nació el 29 de abril de 1893 en Walkerton, Indiana , hijo de Samuel Clayton Urey, [3] [4] un maestro de escuela y ministro de la Iglesia de los Hermanos , [5] y su esposa, Cora Rebecca de soltera Reinoehl. [6] De ascendencia mayoritariamente alemana, el apellido tenía orígenes ingleses. [7] Tenía un hermano menor, Clarence, y una hermana menor, Martha. La familia se mudó a Glendora, California , después de que Samuel enfermara gravemente de tuberculosis , con la esperanza de que el clima mejorara su salud. Cuando quedó claro que moriría, la familia regresó a Indiana para vivir con la madre viuda de Cora. Samuel murió cuando Harold tenía seis años. [8] [4]
Urey se educó en una escuela primaria Amish , de la que se graduó a la edad de 14 años. Luego asistió a la escuela secundaria en Kendallville, Indiana . [6] Después de graduarse en 1911, obtuvo un certificado de maestro de Earlham College , [9] y enseñó en una pequeña escuela en Indiana. Más tarde se mudó a Montana, donde vivía su madre en ese momento, y continuó enseñando allí. [5]
Urey ingresó a la Universidad de Montana en Missoula en el otoño de 1914. [10] A diferencia de las universidades del Este de la época, la Universidad de Montana era mixta, tanto en estudiantes como en profesores. [4] Urey obtuvo allí una licenciatura en Ciencias (BS) en zoología en 1917. [11]
Como resultado de la entrada de los Estados Unidos en la Primera Guerra Mundial ese mismo año, hubo una fuerte presión para apoyar el esfuerzo bélico. Urey había sido criado en una secta religiosa que se oponía a la guerra. Uno de sus profesores le sugirió que apoyara el esfuerzo bélico trabajando como químico. Urey aceptó un trabajo en la Barrett Chemical Company en Filadelfia , fabricando TNT , en lugar de unirse al ejército como soldado. [4] Después de la guerra, regresó a la Universidad de Montana como instructor de química . [12] [9]
Una carrera académica requería un doctorado, por lo que en 1921 Urey se inscribió en un programa de doctorado en la Universidad de California, Berkeley , donde estudió termodinámica con Gilbert N. Lewis . [13] Su intento inicial de tesis fue sobre la ionización del vapor de cesio . Se topó con dificultades y Meghnad Saha publicó un artículo mejor sobre el mismo tema. [14] [15] Urey luego escribió su tesis sobre los estados de ionización de un gas ideal , que posteriormente se publicó en el Astrophysical Journal . [16] Después de recibir su doctorado en 1923, Urey recibió una beca de la American-Scandinavian Foundation para estudiar en el Instituto Niels Bohr en Copenhague , donde conoció a Werner Heisenberg , Hans Kramers , Wolfgang Pauli , Georg von Hevesy y John Slater . Al concluir su estadía, viajó a Alemania, donde conoció a Albert Einstein y James Franck . [17]
Al regresar a los Estados Unidos, Urey recibió una oferta de una beca del Consejo Nacional de Investigación para la Universidad de Harvard , y también recibió una oferta para ser investigador asociado en la Universidad Johns Hopkins . Eligió esta última opción. Antes de aceptar el trabajo, viajó a Seattle, Washington , para visitar a su madre. En el camino, pasó por Everett, Washington , donde conoció a la Dra. Kate Daum, una colega de la Universidad de Montana. [18] La Dra. Daum le presentó a Urey a su hermana, Frieda. Urey y Frieda pronto se comprometieron. Se casaron en la casa del padre de ella en Lawrence, Kansas , en 1926. [12] La pareja tuvo cuatro hijos: Gertrude Bessie (Elizabeth) , nacida en 1927; Frieda Rebecca, nacida en 1929; Mary Alice, nacida en 1934; y John Clayton Urey, nacido en 1939. [19]
En Johns Hopkins, Urey y Arthur Ruark escribieron Atoms, Quanta and Molecules (1930), uno de los primeros textos en inglés sobre mecánica cuántica y sus aplicaciones a sistemas atómicos y moleculares. [17] En 1929, Urey se convirtió en profesor asociado de química en la Universidad de Columbia , donde entre sus colegas se encontraban Rudolph Schoenheimer , David Rittenberg y TI Taylor. [20]
En la década de 1920, William Giauque y Herrick L. Johnston descubrieron los isótopos estables del oxígeno . En ese momento, los isótopos no se entendían bien; James Chadwick no descubriría el neutrón hasta 1932. Se utilizaban dos sistemas para clasificarlos, basados en propiedades químicas y físicas. Este último se determinó utilizando el espectrógrafo de masas . Como se sabía que el peso atómico del oxígeno era casi exactamente 16 veces más pesado que el del hidrógeno, Raymond Birge y Donald Menzel plantearon la hipótesis de que el hidrógeno también tenía más de un isótopo. Basándose en la diferencia entre los resultados de los dos métodos, predijeron que solo un átomo de hidrógeno en 4500 era del isótopo pesado. [21]
En 1931, Urey se propuso encontrarlo. Urey y George M. Murphy (1903-1968) [22] [23] calcularon a partir de la serie de Balmer que el isótopo pesado debería tener líneas desplazadas hacia el azul (correspondientemente, el isótopo ligero desplazadas hacia el rojo ) de 1,1 a 1,8 ångströms (1,1 × 10 −10 a 1,8 × 10 −10 metros ). Urey tenía acceso a un espectrógrafo de rejilla de 21 pies (6,4 m) , un dispositivo sensible que se había instalado recientemente en Columbia y que era capaz de resolver la serie de Balmer. Con una resolución de 1 Å por milímetro, la máquina debería haber producido una diferencia de aproximadamente 1 milímetro. [24] Sin embargo, dado que solo un átomo de cada 4500 era pesado, la línea en el espectrógrafo era muy tenue. Por lo tanto, Urey decidió retrasar la publicación de sus resultados hasta tener evidencia más concluyente de que se trataba de hidrógeno pesado. [21]
Urey y Murphy calcularon a partir del modelo de Debye que el isótopo pesado tendría un punto de ebullición ligeramente más alto que el ligero. Calentando cuidadosamente el hidrógeno líquido, se podían destilar 5 litros de hidrógeno líquido hasta 1 mililitro, que se enriquecería en el isótopo pesado entre 100 y 200 veces. Para obtener cinco litros de hidrógeno líquido, viajaron al laboratorio de criogenia de la Oficina Nacional de Normas en Washington, DC, donde obtuvieron la ayuda de Ferdinand Brickwedde , a quien Urey había conocido en Johns Hopkins. [24]
La primera muestra que envió Brickwedde se evaporó a 20 K (−253,2 °C; −423,7 °F) a una presión de 1 atmósfera estándar (100 kPa). Para su sorpresa, no mostró evidencia de enriquecimiento. Brickwedde luego preparó una segunda muestra evaporada a 14 K (−259,1 °C; −434,5 °F) a una presión de 53 mmHg (7,1 kPa). En esta muestra, las líneas de Balmer para el hidrógeno pesado fueron siete veces más intensas. [21] El artículo que anunciaba el descubrimiento del hidrógeno pesado, más tarde llamado deuterio , fue publicado conjuntamente por Urey, Murphy y Brickwedde en 1932. [25] Urey recibió el Premio Nobel de Química en 1934 "por su descubrimiento del hidrógeno pesado". [26] Se negó a asistir a la ceremonia en Estocolmo, para poder estar presente en el nacimiento de su hija Mary Alice. [27] Fue elegido miembro de la Sociedad Filosófica Americana y de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos el año siguiente. [28] [29]
En colaboración con Edward W. Washburn , de la Oficina de Normas, Urey descubrió posteriormente la causa de la muestra anómala. El hidrógeno de Brickwedde se había separado del agua mediante electrólisis , lo que dio como resultado una muestra empobrecida. Además, Francis William Aston había informado de que su valor calculado para el peso atómico del hidrógeno era erróneo, invalidando así el razonamiento original de Birge y Menzel. Sin embargo, el descubrimiento del deuterio se mantuvo. [21]
Urey y Washburn intentaron utilizar la electrólisis para crear agua pesada pura . Su técnica era sólida, pero Lewis, que contaba con los recursos de la Universidad de California, se les adelantó en 1933. [30] Utilizando la aproximación de Born-Oppenheimer , Urey y David Rittenberg calcularon las propiedades de los gases que contienen hidrógeno y deuterio. Extendieron esta aproximación a los compuestos enriquecedores de carbono, nitrógeno y oxígeno. Estos podrían usarse como trazadores en bioquímica , lo que dio como resultado una forma completamente nueva de examinar las reacciones químicas. [31] Fundó el Journal of Chemical Physics en 1932 y fue su primer editor, cargo que ocupó hasta 1940. [32]
En Columbia, Urey presidió la Federación Universitaria para la Democracia y la Libertad Intelectual. Apoyó la propuesta del atlantista Clarence Streit de una unión federal de las principales democracias del mundo y la causa republicana durante la Guerra Civil Española . Fue uno de los primeros opositores del nazismo alemán y ayudó a los científicos refugiados, incluido Enrico Fermi , a encontrar trabajo en los Estados Unidos y a adaptarse a la vida en un nuevo país. [33]
Cuando estalló la Segunda Guerra Mundial en Europa en 1939, Urey era reconocido como un experto mundial en separación de isótopos. Hasta entonces, la separación había involucrado solo los elementos ligeros. En 1939 y 1940, Urey publicó dos artículos sobre la separación de isótopos más pesados en los que propuso la separación centrífuga. Esto asumió gran importancia debido a la especulación de Niels Bohr de que el uranio 235 era fisible . [34] Debido a que se consideró "muy dudoso que se pueda establecer una reacción en cadena sin separar el 235 del resto del uranio", [35] Urey comenzó estudios intensivos sobre cómo se podría lograr el enriquecimiento del uranio. [36] Además de la separación centrífuga, George Kistiakowsky sugirió que la difusión gaseosa podría ser un método posible. Una tercera posibilidad era la difusión térmica . [37] Urey coordinó todos los esfuerzos de investigación sobre separación de isótopos, incluido el esfuerzo para producir agua pesada, que podría usarse como moderador de neutrones en reactores nucleares . [38] [39]
En mayo de 1941, Urey fue designado para el Comité de Uranio , que supervisaba el proyecto de uranio como parte del Comité de Investigación de Defensa Nacional (NDRC). [40] En 1941, Urey y George B. Pegram lideraron una misión diplomática a Inglaterra para establecer la cooperación en el desarrollo de la bomba atómica. Los británicos eran optimistas sobre la difusión gaseosa, [41] pero estaba claro que tanto los métodos gaseosos como los centrífugos enfrentaban formidables obstáculos técnicos. [42] En mayo de 1943, cuando el Proyecto Manhattan ganó impulso, Urey se convirtió en jefe de los Laboratorios de Materiales de Aleación Sustitutos ( Laboratorios SAM ) en tiempos de guerra en Columbia, que era responsable del agua pesada y todos los procesos de enriquecimiento de isótopos excepto el proceso electromagnético de Ernest Lawrence . [43]
Los primeros informes sobre el método centrífugo indicaban que no era tan eficiente como se había previsto. Urey sugirió que se utilizara un sistema de contracorriente más eficiente, pero técnicamente más complicado, en lugar del anterior método de flujo continuo. En noviembre de 1941, los obstáculos técnicos parecían lo suficientemente formidables como para que se abandonara el proceso. [44] Las centrífugas de contracorriente se desarrollaron después de la guerra y hoy son el método preferido en muchos países. [45]
El proceso de difusión gaseosa siguió siendo más alentador, aunque también tuvo que superar obstáculos técnicos. [46] A fines de 1943, Urey tenía más de 700 personas trabajando para él en difusión gaseosa. [47] El proceso involucraba cientos de cascadas, en las que el hexafluoruro de uranio corrosivo se difundía a través de barreras gaseosas, enriqueciéndose progresivamente más en cada etapa. [46] Un problema importante fue encontrar sellos adecuados para las bombas, pero con mucho la mayor dificultad residía en construir una barrera de difusión apropiada. [48] La construcción de la enorme planta de difusión gaseosa K-25 estaba bien encaminada antes de que una barrera adecuada estuviera disponible en cantidad en 1944. Como respaldo, Urey defendió la difusión térmica. [49]
Agotado por el esfuerzo, Urey abandonó el proyecto en febrero de 1945, entregando sus responsabilidades a RH Crist. [50] La planta K-25 comenzó a funcionar en marzo de 1945, y a medida que se iban solucionando los problemas, la planta funcionó con una eficiencia y una economía notables. Durante un tiempo, el uranio se introdujo en la planta de difusión térmica líquida S50 , luego en la planta de separación gaseosa K-25 y, finalmente, en la planta de separación electromagnética Y-12 ; pero poco después de que terminara la guerra, las plantas de separación térmica y electromagnética se cerraron y la separación la realizó solo la K-25. Junto con su gemela, la K-27, construida en 1946, se convirtió en la principal planta de separación de isótopos en el período inicial de la posguerra. [51] [49] Por su trabajo en el Proyecto Manhattan, Urey recibió la Medalla al Mérito del director del Proyecto, el mayor general Leslie R. Groves, Jr. [50]
Después de la guerra, Urey se convirtió en profesor de química en el Instituto de Estudios Nucleares y luego en profesor Ryerson de química en la Universidad de Chicago en 1952. [9] No continuó su investigación de preguerra con isótopos. Sin embargo, al aplicar el conocimiento adquirido con el hidrógeno al oxígeno, se dio cuenta de que el fraccionamiento entre carbonato y agua para el oxígeno-18 y el oxígeno-16 disminuiría en un factor de 1,04 entre 0 y 25 °C (32 y 77 °F). La relación de los isótopos podría entonces usarse para determinar las temperaturas promedio, suponiendo que el equipo de medición fuera lo suficientemente sensible. El equipo incluía a su colega Ralph Buchsbaum . El examen de una belemnita de 100 millones de años indicó entonces las temperaturas de verano e invierno que había soportado durante un período de cuatro años. Por esta investigación paleoclimática pionera , Urey recibió la Medalla Arthur L. Day de la Sociedad Geológica de América y la Medalla Goldschmidt de la Sociedad Geoquímica . [52] Mientras estaba en la Universidad de Chicago, Urey contribuyó a la ecuación de Urey-Bigeleisen-Mayer , un modelo de fraccionamiento de isótopos estables.
Urey hizo campaña activamente contra el proyecto de ley May-Johnson de 1946 porque temía que llevara al control militar de la energía nuclear, pero apoyó y luchó por el proyecto de ley McMahon que lo reemplazó y, en última instancia, creó la Comisión de Energía Atómica . El compromiso de Urey con el ideal de un gobierno mundial databa de antes de la guerra, pero la posibilidad de una guerra nuclear lo hizo aún más urgente en su mente. Realizó giras de conferencias contra la guerra y se involucró en debates del Congreso sobre cuestiones nucleares. Argumentó públicamente a favor de Ethel y Julius Rosenberg y fue llamado ante el Comité de Actividades Antiamericanas de la Cámara de Representantes . [53]
En su vida posterior, Urey ayudó a desarrollar el campo de la cosmoquímica y se le atribuye la acuñación del término. Su trabajo sobre el oxígeno-18 lo llevó a desarrollar teorías sobre la abundancia de los elementos químicos en la Tierra, y sobre su abundancia y evolución en las estrellas. Urey resumió su trabajo en Los planetas: su origen y desarrollo (1952). Urey especuló que la atmósfera terrestre primitiva estaba compuesta de amoníaco , metano e hidrógeno. Uno de sus estudiantes de posgrado de Chicago, Stanley L. Miller , demostró en el experimento Miller-Urey que, si dicha mezcla se expone a chispas eléctricas y al agua, puede interactuar para producir aminoácidos , comúnmente considerados los componentes básicos de la vida. [54]
Urey pasó un año en el Reino Unido como profesor visitante en la Universidad de Oxford en 1956 y 1957. [55] En 1958, alcanzó la edad de jubilación de la Universidad de Chicago de 65 años, pero aceptó un puesto como profesor en general en la nueva Universidad de California, San Diego (UCSD), y se mudó a La Jolla, California . Posteriormente fue nombrado profesor emérito allí de 1970 a 1981. [56] [57] [9] Urey ayudó a construir la facultad de ciencias allí. Fue uno de los miembros fundadores de la escuela de química de la UCSD, que se creó en 1960, junto con Stanley Miller, Hans Suess y Jim Arnold . [56] [58]
A finales de los años 1950 y principios de los 1960, la ciencia espacial se convirtió en un tema de investigación a raíz del lanzamiento del Sputnik 1. Urey ayudó a persuadir a la NASA para que hiciera de las sondas no tripuladas a la Luna una prioridad. Cuando el Apolo 11 trajo de vuelta muestras de rocas lunares , Urey las examinó en el Laboratorio de Recepción Lunar . Las muestras apoyaron la afirmación de Urey de que la Luna y la Tierra compartían un origen común. [56] [58] Mientras estaba en la UCSD, Urey publicó 105 artículos científicos, 47 de ellos sobre temas lunares. Cuando se le preguntó por qué seguía trabajando tan duro, bromeó: "Bueno, ya sabes que ya no estoy en titularidad". [59]
A Urey le gustaba la jardinería y el cultivo de Cattleya , Cymbidium y otras orquídeas . [60] Murió en La Jolla, California, y está enterrado en el cementerio Fairfield en el condado de DeKalb, Indiana . [9]
Además de su Premio Nobel, también ganó la Medalla Franklin en 1943, la Medalla J. Lawrence Smith en 1962, la Medalla de Oro de la Royal Astronomical Society en 1966, el Premio Golden Plate de la American Academy of Achievement en 1966, [61] y la Medalla Priestley de la American Chemical Society en 1973. En 1964 recibió la Medalla Nacional de Ciencias . [62] Se convirtió en miembro de la Royal Society en 1947. [63] Nombrados en su honor están el cráter de impacto lunar Urey , [9] el asteroide 4716 Urey , [64] y el Premio HC Urey , otorgado por logros en ciencias planetarias por la American Astronomical Society . [65] La escuela secundaria Harold C. Urey en Walkerton, Indiana, también lleva su nombre, [66] al igual que Urey Hall, el edificio de química en Revelle College, UCSD, en La Jolla [67] y el Harold C. Urey Lecture Hall en la Universidad de Montana. [68] La UCSD también ha establecido una cátedra Harold C. Urey cuyo primer titular fue James Arnold. [69]
La hija de Urey, Elizabeth Baranger , también se convirtió en una notable física. [70]
El nombre es inglés. Todos los demás de mis abuelos son alemanes. Sus nombres son Hofstettler. Hofstettler es una corrupción. Era Hochstettler o algo así. Y Eckhart y Reinoehl, muy alemanes, ya ves.
El salón Urey lleva el nombre del exalumno e instructor de la UM Harold C. Urey, quien recibió el Premio Nobel de Química en 1934 por su descubrimiento del deuterio, la forma pesada del hidrógeno.
