Harold Urey - Harold Urey

Harold Urey

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Harold Urey
Geboren
Harold Clayton Urey

( 1893-04-29 )29. April 1893
Ist gestorben 5. Januar 1981 (1981-01-05)(im Alter von 87 Jahren)
Staatsangehörigkeit Vereinigte Staaten
Alma Mater
Bekannt für
Auszeichnungen
Wissenschaftlicher Werdegang
Felder Physikalische Chemie
Institutionen
Doktoratsberater Gilbert N. Lewis
Doktoranden
Unterschrift
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Harold Clayton Urey (29. April 1893 – 5. Januar 1981) war ein US-amerikanischer Physikochemiker, dessen bahnbrechende Arbeit über Isotope ihm 1934 den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung des Deuteriums einbrachte . Er spielte eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung der Atombombe und trug zu Theorien über die Entwicklung von organischem Leben aus unbelebter Materie bei .

Geboren in Walkerton, Indiana , studierte Urey Thermodynamik bei Gilbert N. Lewis an der University of California, Berkeley . Nach seiner Promotion im Jahr 1923 erhielt er ein Stipendium der American-Skandinavischen Stiftung für ein Studium am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen . Er war wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Johns Hopkins University, bevor er außerordentlicher Professor für Chemie an der Columbia University wurde . 1931 begann er mit der Isotopentrennung, die zur Entdeckung von Deuterium führte.

Während des Zweiten Weltkriegs wandte Urey sein Wissen über die Isotopentrennung dem Problem der Urananreicherung zu . Er leitete die Gruppe an der Columbia University, die die Isotopentrennung mittels Gasdiffusion entwickelte . Die Methode wurde erfolgreich entwickelt und wurde die einzige Methode, die in der frühen Nachkriegszeit verwendet wurde. Nach dem Krieg wurde Urey Professor für Chemie am Institute for Nuclear Studies und später Ryerson-Professor für Chemie an der University of Chicago .

Urey spekulierte, dass die frühe terrestrische Atmosphäre aus Ammoniak , Methan und Wasserstoff bestand. Einer seiner Doktoranden in Chicago war Stanley L. Miller , der im Miller-Urey-Experiment zeigte, dass eine solche Mischung, wenn sie elektrischen Funken und Wasser ausgesetzt wird, interagieren kann, um Aminosäuren zu produzieren , die allgemein als Bausteine ​​des Lebens angesehen werden. Die Arbeit mit Sauerstoffisotopen führte zu Pionierarbeit auf dem neuen Gebiet der paläoklimatischen Forschung. 1958 nahm er eine Stelle als Professor an der neuen University of California, San Diego (UCSD), an, wo er beim Aufbau der wissenschaftlichen Fakultät mitwirkte. Er war einer der Gründungsmitglieder der UCSD Schule der Chemie, die im Jahr 1960 erstellt wurde , wurde er zunehmend in den Weltraumwissenschaften interessiert, und als Apollo 11 zurückMondGestein Proben vom Mond, Urey suchte sie am Lunar Laboratory empfangen . Der Mondastronaut Harrison Schmitt sagte, dass Urey ihn als Freiwilligen für eine einseitige Mission zum Mond ansprach und sagte: "Ich werde gehen, und es ist mir egal, wenn ich nicht zurückkomme."

Frühen Lebensjahren

Harold Clayton Urey wurde am 29. April 1893 in Walkerton, Indiana , als Sohn von Samuel Clayton Urey, einem Schullehrer und Pfarrer in der Church of the Brethren , und seiner Frau Cora Rebecca geb. Reinoehl geboren. Er hatte einen jüngeren Bruder, Clarence, und eine jüngere Schwester, Martha. Die Familie zog nach Glendora, Kalifornien , nachdem Samuel schwer an Tuberkulose erkrankt war , in der Hoffnung, dass das Klima seine Gesundheit verbessern würde. Als klar wurde, dass er sterben würde, zog die Familie zurück nach Indiana, um bei Coras verwitweter Mutter zu leben. Samuel starb, als Harold sechs Jahre alt war.

Urey wurde in einer Amish Grundschule erzogen, die er im Alter von 14 Jahren abschloss. Anschließend besuchte er die High School in Kendallville, Indiana . Nach seinem Abschluss im Jahr 1911 erhielt er ein Lehrerzertifikat vom Earlham College und unterrichtete in einem kleinen Schulhaus in Indiana. Später zog er nach Montana, wo seine Mutter damals lebte, und unterrichtete dort weiter.

Urey trat im Herbst 1914 an der University of Montana in Missoula ein . Im Gegensatz zu den damaligen östlichen Universitäten war die University of Montana sowohl für Studenten als auch für Lehrer koedukativ. Urey erwarb dort 1917 einen Bachelor of Science (BS) in Zoologie .

Als Folge des Eintritts der Vereinigten Staaten in den Ersten Weltkrieg im selben Jahr gab es einen starken Druck, die Kriegsanstrengungen zu unterstützen. Urey war in einer religiösen Sekte aufgewachsen, die sich dem Krieg widersetzte. Einer seiner Professoren schlug vor, die Kriegsbemühungen durch eine Tätigkeit als Chemiker zu unterstützen. Urey nahm einen Job bei der Barrett Chemical Company in Philadelphia an , wo er TNT herstellte , anstatt als Soldat in die Armee einzutreten. Nach dem Krieg kehrte er als Dozent für Chemie an die University of Montana zurück .

Eine akademische Laufbahn erforderte eine Promotion, und so schrieb sich Urey 1921 für ein PhD- Programm an der University of California, Berkeley , ein, wo er bei Gilbert N. Lewis Thermodynamik studierte . Sein erster Versuch einer Dissertation beschäftigte sich mit der Ionisierung von Cäsiumdampf . Er geriet in Schwierigkeiten, und Meghnad Saha veröffentlichte eine bessere Arbeit zum gleichen Thema. Urey schrieb dann seine Doktorarbeit über die Ionisationszustände eines idealen Gases, die anschließend im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde . Nach seiner Promotion im Jahr 1923 erhielt Urey ein Stipendium der American-Skandinavischen Stiftung für ein Studium am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen , wo er Werner Heisenberg , Hans Kramers , Wolfgang Pauli , Georg von Hevesy und John Slater traf . Zum Abschluss seines Aufenthalts reiste er nach Deutschland, wo er Albert Einstein und James Franck kennenlernte .

Nach seiner Rückkehr in die Vereinigten Staaten erhielt Urey ein Angebot für ein Stipendium des National Research Council an der Harvard University und auch das Angebot, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Johns Hopkins University zu werden . Letzteres hat er gewählt. Bevor er die Stelle antrat, reiste er nach Seattle, Washington , um seine Mutter zu besuchen. Unterwegs hielt er in Everett, Washington , an, wo er Dr. Kate Daum, eine Kollegin von der University of Montana, kannte. Dr. Daum stellte Urey ihrer Schwester Frieda vor. Urey und Frieda verlobten sich bald. Sie heirateten 1926 im Haus ihres Vaters in Lawrence, Kansas . Das Paar hatte vier Kinder: Gertrude Bessie (Elizabeth) , geboren 1927; Frieda Rebecca, geboren 1929; Mary Alice, geboren 1934; und John Clayton Urey, geboren 1939.

Bei Johns Hopkins schrieben Urey und Arthur Ruark Atoms, Quanta and Molecules (1930), einen der ersten englischen Texte über die Quantenmechanik und ihre Anwendung auf atomare und molekulare Systeme. 1929 wurde Urey außerordentlicher Professor für Chemie an der Columbia University , wo zu seinen Kollegen Rudolph Schoenheimer , David Rittenberg und TI Taylor gehörten.

Deuterium

In den 1920er Jahren entdeckten William Giauque und Herrick L. Johnston die stabilen Sauerstoffisotope . Isotope waren damals noch nicht gut verstanden; James Chadwick entdeckte das Neutron erst 1932. Zwei Systeme waren im Einsatz, um es anhand chemischer und physikalischer Eigenschaften zu klassifizieren. Letztere wurde mit dem Massenspektrographen bestimmt . Da bekannt war, dass das Atomgewicht von Sauerstoff fast genau 16-mal so schwer wie Wasserstoff ist, stellten Raymond Birge und Donald Menzel die Hypothese auf, dass Wasserstoff auch mehr als ein Isotop hat. Aufgrund des Unterschieds zwischen den Ergebnissen der beiden Methoden sagten sie voraus, dass nur eines von 4.500 Wasserstoffatomen aus dem schweren Isotop stammte.

1931 machte sich Urey auf die Suche. Urey und George Murphy berechneten aus der Balmer-Reihe, dass das schwere Isotop um 1,1 bis 1,8 ångström (1,1 × 10 –10 bis 1,8 × 10 –10 Meter ) blauverschobene Linien (entsprechend das leichte Isotop rotverschoben ) aufweisen sollte. Urey hatte Zugang zu einem 21-Fuß (6,4 m) Gitter - Spektrographen , ein empfindliches Gerät , das zur Lösung der Balmer Serie an der Columbia kürzlich installiert und war in der Lage war. Bei einer Auflösung von 1 pro Millimeter sollte die Maschine eine Differenz von etwa 1 Millimeter erzeugt haben. Da jedoch nur eines von 4.500 Atomen schwer war, war die Linie auf dem Spektrographen sehr schwach. Urey beschloss daher, die Veröffentlichung ihrer Ergebnisse zu verschieben, bis er schlüssigere Beweise dafür hatte, dass es sich um schweren Wasserstoff handelte.

Urey und Murphy berechneten aus dem Debye-Modell, dass das schwere Isotop einen etwas höheren Siedepunkt als das leichte haben würde. Durch vorsichtiges Erwärmen von flüssigem Wasserstoff könnten 5 Liter flüssiger Wasserstoff auf 1 Milliliter destilliert werden, der sich im schweren Isotop um das 100- bis 200-fache anreichert. Um fünf Liter flüssigen Wasserstoffs zu gewinnen, reisten sie zum Kryogenlabor des National Bureau of Standards in Washington, DC, wo sie die Hilfe von Ferdinand Brickwedde erhielten , den Urey von Johns Hopkins kannte.

Die erste Probe, die Brickwedde schickte, wurde bei 20 K (−253.2 °C; −423.7 °F) bei einem Druck von 1 Standardatmosphäre (100 kPa) verdampft. Zu ihrer Überraschung zeigte dies keine Hinweise auf eine Bereicherung. Brickwedde bereitete dann eine zweite Probe vor, die bei 14 K (−259,1 °C; −434,5 °F) bei einem Druck von 53 mmHg (7,1 kPa) verdampft wurde. Bei dieser Probe waren die Balmer-Linien für schweren Wasserstoff siebenmal so intensiv. Das Papier, das die Entdeckung des schweren Wasserstoffs ankündigte, später Deuterium genannt , wurde 1932 gemeinsam von Urey, Murphy und Brickwedde veröffentlicht. Urey erhielt 1934 den Nobelpreis für Chemie „für seine Entdeckung des schweren Wasserstoffs“. Er lehnte es ab, an der Zeremonie in Stockholm teilzunehmen, um bei der Geburt seiner Tochter Mary Alice anwesend sein zu können.

In Zusammenarbeit mit Edward W. Washburn vom Bureau of Standards entdeckte Urey anschließend den Grund für die anomale Probe. Brickweddes Wasserstoff war durch Elektrolyse vom Wasser getrennt worden , was zu einer erschöpften Probe führte. Darüber hinaus berichtete Francis William Aston nun, dass sein berechneter Wert für das Atomgewicht von Wasserstoff falsch war, wodurch die ursprüngliche Argumentation von Birge und Menzel entkräftet wurde. Die Entdeckung von Deuterium stand jedoch.

Urey und Washburn versuchten , durch Elektrolyse reines schweres Wasser herzustellen . Ihre Technik war solide, aber sie wurden 1933 von Lewis übertroffen, der über die Ressourcen der University of California verfügte. Mit der Born-Oppenheimer-Näherung berechneten Urey und David Rittenberg die Eigenschaften von wasserstoff- und deuteriumhaltigen Gasen. Sie erweiterten dies auf die Anreicherung von Kohlenstoff-, Stickstoff- und Sauerstoffverbindungen. Diese könnten als Tracer in der Biochemie verwendet werden , was zu einer völlig neuen Art der Untersuchung chemischer Reaktionen führt. Er gründete 1932 das Journal of Chemical Physics und war dessen erster Herausgeber, in dieser Funktion bis 1940.

In Columbia war Urey Vorsitzender der University Federation for Democracy and Intellectual Freedom. Er unterstützte den Vorschlag des Atlantikers Clarence Streit für eine föderale Vereinigung der großen Demokratien der Welt und die republikanische Sache während des spanischen Bürgerkriegs . Er war ein früher Gegner des deutschen Nationalsozialismus und half geflüchteten Wissenschaftlern, darunter Enrico Fermi , indem er ihnen half, Arbeit in den Vereinigten Staaten zu finden und sich an das Leben in einem neuen Land anzupassen.

Manhattan-Projekt

Als 1939 der Zweite Weltkrieg in Europa ausbrach, war Urey als Weltexperte für Isotopentrennung anerkannt. Bisher hatte die Trennung nur die leichten Elemente betraf. 1939 und 1940 veröffentlichte Urey zwei Arbeiten über die Trennung schwerer Isotope, in denen er eine zentrifugale Trennung vorschlug. Diese angenommene große Bedeutung wegen Spekulationen von Niels Bohr , dass Uran 235 war spaltbar . Da es als "sehr zweifelhaft angesehen wurde, ob eine Kettenreaktion ohne Abtrennung von 235 vom Rest des Urans zustande kommen kann", begann Urey mit intensiven Untersuchungen, wie eine Urananreicherung erreicht werden könnte. Neben der Zentrifugalabscheidung schlug George Kistiakowsky die Gasdiffusion als mögliche Methode vor. Eine dritte Möglichkeit war die thermische Diffusion . Urey koordinierte alle Forschungsanstrengungen zur Isotopentrennung, einschließlich der Bemühungen zur Herstellung von schwerem Wasser, das als Neutronenmoderator in Kernreaktoren verwendet werden könnte .

Das S-1-Exekutivkomitee in Bohemian Grove , 13. September 1942. Von links nach rechts sind Urey, Ernest O. Lawrence , James B. Conant , Lyman J. Briggs , Eger V. Murphree und Arthur H. Compton .

Im Mai 1941 wurde Urey in das Committee on Uranium berufen , das als Teil des National Defense Research Committee (NDRC) das Uranprojekt beaufsichtigte . 1941 leiteten Urey und George B. Pegram eine diplomatische Mission nach England, um eine Zusammenarbeit bei der Entwicklung der Atombombe aufzubauen. Die Briten waren hinsichtlich der Gasdiffusion optimistisch, aber es war klar, dass sowohl gasförmige als auch zentrifugale Verfahren vor gewaltigen technischen Hindernissen standen. Im Mai 1943, als das Manhattan-Projekt an Fahrt gewann. Urey wurde während des Krieges Leiter der Substitute Alloy Materials Laboratories ( SAM Laboratories ) in Columbia, die für das schwere Wasser und alle Isotopenanreicherungsprozesse mit Ausnahme des elektromagnetischen Prozesses von Ernest Lawrence verantwortlich waren .

Frühe Berichte über die Zentrifugalmethode zeigten, dass sie nicht so effizient war wie vorhergesagt. Urey schlug vor, anstelle des bisherigen Durchflussverfahrens ein effizienteres, aber technisch komplizierteres Gegenstromsystem zu verwenden. Im November 1941 schienen die technischen Hindernisse so groß zu sein, dass der Prozess abgebrochen werden konnte. Gegenstromzentrifugen wurden nach dem Krieg entwickelt und sind heute in vielen Ländern das beliebteste Verfahren.

Der Gasdiffusionsprozess blieb ermutigender, obwohl auch er technische Hindernisse zu überwinden hatte. Ende 1943 beschäftigte Urey über 700 Leute, die für ihn an der Gasdiffusion arbeiteten. Der Prozess umfasste Hunderte von Kaskaden, in denen korrosives Uranhexafluorid durch Gasbarrieren diffundierte und sich in jeder Phase zunehmend anreicherte. Ein großes Problem bestand darin, geeignete Dichtungen für die Pumpen zu finden, aber die mit Abstand größte Schwierigkeit bestand darin, eine geeignete Diffusionssperre zu konstruieren. Der Bau der riesigen Gasdiffusionsanlage K-25 war in vollem Gange, bevor 1944 eine geeignete Barriere in großen Mengen zur Verfügung stand. Als Backup setzte sich Urey für die thermische Diffusion ein.

Von der Anstrengung erschöpft verließ Urey das Projekt im Februar 1945 und übergab seine Verantwortung an RH Crist. Die K-25-Anlage nahm im März 1945 ihren Betrieb auf, und als die Fehler behoben waren, arbeitete die Anlage mit bemerkenswerter Effizienz und Wirtschaftlichkeit. Eine Zeit lang wurde Uran in die flüssige thermische Diffusionsanlage S50 , dann in die gasförmige K-25 und schließlich in die elektromagnetische Trennanlage Y-12 eingespeist ; aber bald nach Kriegsende wurden die thermischen und elektromagnetischen Trennanlagen geschlossen und die Trennung wurde allein von K-25 durchgeführt. Zusammen mit ihrem 1946 gebauten Zwilling K-27 wurde sie in der frühen Nachkriegszeit zur wichtigsten Isotopentrennanlage. Für seine Arbeit am Manhattan-Projekt wurde Urey vom Projektdirektor, Generalmajor Leslie R. Groves, Jr., die Medal for Merit verliehen.

Nachkriegsjahre

Nach dem Krieg wurde Urey Professor für Chemie am Institute for Nuclear Studies und dann 1952 Ryerson-Professor für Chemie an der University of Chicago . Seine Vorkriegsforschung mit Isotopen setzte er nicht fort. Bei der Anwendung der mit Wasserstoff gewonnenen Erkenntnisse auf Sauerstoff stellte er jedoch fest, dass die Fraktionierung zwischen Karbonat und Wasser für Sauerstoff-18 und Sauerstoff-16 zwischen 0 und 25 °C (32 und 77 °F) um den Faktor 1,04 sinken würde. Aus dem Verhältnis der Isotope ließen sich dann Durchschnittstemperaturen bestimmen, vorausgesetzt, die Messtechnik war ausreichend empfindlich. Zum Team gehörte sein Kollege Ralph Buchsbaum . Die Untersuchung eines 100 Millionen Jahre alten Belemniten ergab dann die Sommer- und Wintertemperaturen, die er über einen Zeitraum von vier Jahren durchlebt hatte. Für diese bahnbrechende paläoklimatische Forschung wurde Urey die Arthur-L.-Day-Medaille der Geological Society of America und die Goldschmidt-Medaille der Geochemical Society verliehen .

Miller-Urey-Experiment

Urey kämpfte aktiv gegen das May-Johnson-Gesetz von 1946 , weil er befürchtete, dass dies zu einer militärischen Kontrolle der Atomenergie führen würde, unterstützte und kämpfte jedoch für das McMahon-Gesetz, das es ersetzte, und gründete schließlich die Atomenergiekommission . Ureys Engagement für das Ideal einer Weltregierung stammte aus der Zeit vor dem Krieg, aber die Möglichkeit eines Atomkrieges machte es in seinem Kopf nur noch dringender. Er unternahm Vortragsreisen gegen den Krieg und beteiligte sich an Kongressdebatten über Nuklearfragen. Er argumentierte öffentlich im Namen von Ethel und Julius Rosenberg und wurde vor den Ausschuss für unamerikanische Aktivitäten des Repräsentantenhauses berufen .

Kosmochemie und das Miller-Urey-Experiment

Im späteren Leben half Urey bei der Entwicklung des Gebiets der Kosmochemie und wurde mit der Prägung des Begriffs gutgeschrieben. Seine Arbeit über Sauerstoff-18 führte ihn dazu, Theorien über die Häufigkeit der chemischen Elemente auf der Erde und ihre Häufigkeit und Entwicklung in den Sternen zu entwickeln. Urey fasste seine Arbeit in The Planets: Their Origin and Development (1952) zusammen. Urey spekulierte, dass die frühe terrestrische Atmosphäre aus Ammoniak , Methan und Wasserstoff bestand. Einer seiner Chicagoer Doktoranden, Stanley L. Miller , zeigte im Miller-Urey-Experiment, dass eine solche Mischung, wenn sie elektrischen Funken und Wasser ausgesetzt wird, miteinander interagieren kann, um Aminosäuren zu produzieren , die allgemein als Bausteine ​​des Lebens angesehen werden.

Urey verbrachte 1956 und 1957 ein Jahr in Großbritannien als Gastprofessor an der Oxford University . 1958 erreichte er das Rentenalter der University of Chicago von 65 Jahren, nahm jedoch eine Stelle als Professor an der neuen University of California an , San Diego (UCSD) und zog nach La Jolla, Kalifornien . Von 1970 bis 1981 war er dort emeritierter Professor . Urey baute dort die naturwissenschaftliche Fakultät mit auf. Er war eines der Gründungsmitglieder der 1960 gegründeten Chemieschule der UCSD, zusammen mit Stanley Miller, Hans Suess und Jim Arnold .

In den späten 1950er und frühen 1960er Jahren wurde die Weltraumforschung nach dem Start von Sputnik I zu einem Forschungsthema . Urey half dabei, die NASA davon zu überzeugen , unbemannte Mondsonden zu einer Priorität zu machen. Wenn Apollo 11 zurückMondGestein Proben vom Mond untersucht Urey sie am Lunar Laboratory empfangen . Die Proben unterstützten Ureys Behauptung, dass der Mond und die Erde einen gemeinsamen Ursprung haben. Während seiner Zeit an der UCSD veröffentlichte Urey 105 wissenschaftliche Arbeiten, davon 47 über Mondthemen. Auf die Frage, warum er weiterhin so hart arbeite, scherzte er: "Nun, Sie wissen, dass ich nicht mehr angestellt bin."

Tod und Vermächtnis

Urey genoss es, im Garten zu arbeiten und Cattleya , Cymbidium und andere Orchideen zu züchten . Er starb in La Jolla, Kalifornien, und wurde auf dem Fairfield Cemetery in DeKalb County, Indiana, beigesetzt .

Neben seinem Nobelpreis erhielt er 1943 die Franklin Medal , 1962 die J. Lawrence Smith Medal, 1966 die Gold Medal der Royal Astronomical Society, 1966 den Golden Plate Award der American Academy of Achievement und den Priestley Medal der American Chemical Society im Jahr 1973. 1964 erhielt er die National Medal of Science . Er wurde zum Fellow der Royal Society in 1947 nach ihm benannt ist Mondeinschlagskrater Urey , Asteroiden 4716 Urey und der HC Urey - Preis für Leistungen in ausgezeichnete Planetenwissenschaften von der American Astronomical Society . Auch die Harold C. Urey Middle School in Walkerton, Indiana, ist nach ihm benannt, ebenso wie Urey Hall, das Chemiegebäude am Revelle College, UCSD, in La Jolla und die Harold C. Urey Lecture Hall an der University of Montana. Die UCSD hat auch einen Harold C. Urey-Lehrstuhl eingerichtet, dessen erster Inhaber James Arnold ist.

Ureys Tochter Elizabeth Baranger wurde ebenfalls eine bemerkenswerte Physikerin.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Externe Links