Harold Clayton Urey

1934 yılında döteryumu keşfetmesiyle Nobel Kimya Ödülü’nü alan Amerikalı kimyager Harold Clayton Urey, bu sayede izotoplar ile ilgili yapılan çalışmaların öncüsü olmuştur. Atom bombasının geliştirilmesinde de önemli bir role sahiptir fakat çalışmaları arasında belki de en önemlisi  cansız maddelerden organik yaşamın gelişimi ile ilgili teorilere sağlamış olduğu katkılardır. 

Hayatı

28 Nisan 1893’te Amerika’nın Indiana eyaletinde Walkerton’da doğdu. Babası Samuel Clayton Urey, Church of the Brethren’de öğretmenlik yapıyordu.  Kendisinden küçük Clarence  ve Martha adlarında iki kardeşe sahipti. Doğumundan kısa bir süre sonra Kaliforniya’ya taşınan ailesi, babasının tüberküloza yakalanmasıyla Indiana’ya anneannesinin evine döndü. Samuel Clayton Urey öldüğünde Harold altı yaşındaydı.

Eğitimine Amish ilköğretim okulunda başladı. On dört yaşına geldiğinde buradan mezun oldu ve Indiana, Kendalville’de bir liseye başladı. 1911’de lise eğitimini başarıyla tamamlayarak Earlham Üniversitesi’nden öğretmenlik sertifikası aldı. Indiana’da birkaç okulda öğretmenlik yaptıktan sonra Montana’ya annesinin yanına taşındı ve mesleğine burada devam etti. 1914’ün sonbaharında Montana Eyalet Üniversitesi’ne başvurdu ve üç yıl sonra zooloji dalında fen fakültesi diplomasını aldı. ABD’nin II. Dünya Savaşı’na katılmasıyla Philadelphia’da,  Barrett Chemical Company’de TNT’nin üretimi için işe alındı. Savaş bittikten sonra iki yılını endüstriyel kimya alanında araştırma görevlisi olarak geçirdi ve Montana Eyalet Üniversitesi Kimya Bölümü’ne öğretim görevlisi olarak döndü. Doktora eğitimini tamamlamak üzere Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley’e başvurdu. Buradaki eğitimi sırasında Gilbert Newton Lewis’le birlikte termodinamik ile ilgili çalışmalar yaptı. Harold’un ilk girişimi sezyum vapurunun iyonlaşması üzerineydi ve bu alanda çalışırken hem birçok zorlukla karşılaşmıştı hem de başka bir fizikçi aynı konuda daha iyi bir makale yayımlamıştı. Urey bu alandaki çalışmalarını ilerleterek Astrophysical Journal’da yayımlanan ideal gazların iyonlaşma basamakları üzerine bir makale yazdı. 1923 yılında doktora eğitimini tamamladıktan sonra The American-Scandinavian Foundation tarafından kazandığı bursla Kopenhag’ta Niels Bohr Institute’de eğitimine devam etti. Burada Werner Heisenberg, Hans Kramers, Wolfgang Pauli, Georg von Hevesy ve John Slater ile tanıştı. Kısa bir süre sonra Almanya’ya taşındı ve burada da Albert Einstein ve James Franck ile tanışma fırsatı yakaladı. Amerika’ya döndüğünde National Research Council tarafından çalışmalarına Harvard Üniversitesi’nde devam etmesi  ve Johns Hopkins Üniversitesi’nde araştırma görevlisi olması için teklif aldı. 1929’da Columbia Üniversitesi’ne doçent doktor olarak atandı ve 1934 yılında profesör unvanını aldı. 1940-1945 yıllarında Columbia Üniversitesi’nde savaş araştırmasında ve Manhattan Projesi’nin müdürü olarak görev aldı. 1945’te Chicago Üniversitesi Institute for Nuclear Studies’te Distinguished Service Professor of Chemistry olarak görev aldı ve 1952’de Martin A. Ryerson Professor unvanını aldı. 1956 ve 1957 yıllarında Oxford Üniversitesi’nde George Eastman Visiting Professor unvanını aldı. Bir yıl sonra Kaliforniya Üniversitesi’ne profesör olarak döndü ve bir makale yayımladı.

Washington’a taşındığı zaman fizyoterapist olan Kate Daum’un kardeşi Frieda’yla evlendi ve bu evliliğinden Gertrude Bessie (Elisabeth), Frieda Rebecca, Mary Alice ve John isimlerine sahip dört çocuğu oldu. 5 Ocak 1981’de Kaliforniya’da öldü.

Döteryum

1931 yılında başladığı izotopların ayrıştırılmasıyla ilgili çalışmaları döteryumu keşfetmesiyle sonuçlandı. Urey, II. Dünya Savaşı sırasında izotopların ayrıştırılmasıyla ilgili bilgi birikimini uranyumun zenginleştirilmesi için kullandı. Bu sayede Columbia Üniversitesi’nde gaz difüzyonunu kullanarak izotopları ayrıştıran ve geliştiren bir gruba başkanlık yaptı. Bu yöntem başarıyla sonuçlandı ve savaştan sonra kullanılan tek yöntem oldu.

Bu süre zarfında Kaliforniya Üniversitesi’nden William Giauque ve Herrick L. Johnston oksijenin kararlı izotoplarını geliştirdi. O zamanla izotop kavramı yeterince anlaşılaıyordu, bu yüzden de James Chadwick 1932 yılına kadar nötronu keşfedememişti.

İzotopların sınıflandırılması için fiziksel ve kimyasal özelliklere dayanan iki yöntem kullanılıyordu. Daha sonra kütle spektrograf yöntemi kullanılmaya başlandı. Oksijenin atom ağırlığının hidrojenin atom ağırlığının neredeyse on altı katı olduğu biliniyordu, bu yüzden Raymond Birge ve Donald Menzel hidrojenin birden fazla izotopunun olduğunu öne sürdü. İkili bu yöntemlerin sonuçları arasındaki farklara dayanarak 4.500’de sadece bir hidrojen atomunun ağır izotopu olduğunu öngördü. Urey, bu izotopu bulmak için 1931 yılında çalışmalara başladı. George Murphy ile birlikte bu ağır izotopun 1.1 ile 1.8 angstrom arasında kırmızıya kayan çizgilere sahip olması gerektiğini Balmer serilerini kullanarak hesapladı. Urey’in Columbia’da kurulmuş ve Balmer serilerini çözebilen 6.4 metrelik, ağlı bir spektrografa erişim hakkı vardı. Bu alet bir milimetre için 1 angstrom duyarlılığa sahipti, bu yüzden bu makinedeki ölçüm farklılığı 1 milimetre civarındaydı.  Fakat 4.500’de sadece bir ağır atom bulunduğundan spektrograftaki çizgi çok silikti. Bu yüzden Urey, ağır hidrojenin varlığına dair daha kesin kanıtlar bulana kadar çalışmalarının sonuçlarının yayınlanmasını ertelemeye karar verdi.

Daha sonra Urey ve Murphy, Debye modelini kullanarak ağır izotopun kaynama noktasının hafif izotopun kaynama noktasından daha yüksek olması gerektiği fikrini öne sürdü. Sıvı hidrojenin ısıtılmasıyla, 5 litrelik sıvı hidrojen 1 mililitreye kadar damıtılabiliyordu, bu da ağır izotopun 100 ile 200 kat arasında zenginleştirilebilmesine olanak sağlıyordu. Sıvı hidrojenin 5 litresini elde edebilmek için çalışmalarını Washington D.C’deki kriyoenik bir laboratuvara taşıdılar. Urey’in Johns Hopkins’te tanıştığı Ferdinand Brickwedde’nin de yardımıyla bu amaçlarına ulaştılar.

Sıvı hidrojenin ilk numunesi Brickwedde tarafından gönderilen 1 atm basınç altında ve 20 K’de buharlaştırılmış bir numuneydi. Fakat beklenilenin aksine bu numune izotopun zenginleştirilmesi işlemine dair bir kanıt değildi. Bu sebeple Brickwedde 53 mmHg basınç altında ve 14 K’de buharlaştırılmış ikinci bir numune hazırladı. Bu numunede ağır hidrojenin Balmer çizgileri yedi kat daha belirgindi. Böylece 1932 yılında Urey, Murphy ve Brickwedde, günümüzde döteryum olarak bilinen maddenin keşfedildiğine dair bir makale yayımladı.Urey, bütün bu çalışmaları sayesinde ağır hidrojeni keşfetmesi sonucu 1934 yılında Nobel Kimya Ödülü ile ödüllendirildi. Kızı Mary Alice’nin doğumuna yetişebilmek için Stockholm’deki kutlamaya katılamadı.

Urey, Bureau of Standards’tan Edward W. Washburn ile birlikte çalışarak çelişkili numunelerin sebebini buldu. Brickwedde’nin elektroliz ile sudan ayrılan hidrojeni numunenin tükenmesine sebep olmuştu. Ayrıca, Francis William Aston hidrojenin atom ağırlığının yanlış hesaplandığını ve Birge ve Menzel’in mantığının geçersiz olduğunu öne sürdü.  Buna rağmen döteryumun keşfinde hiçbir değişiklik olmadı.

Urey ve Washburn saf ağır suyu elde edebilmek için elektroliz yöntemini kullandı. Yöntemlerinin sağlam olmasına rağmen 1933 yılında Kaliforniya Üniversitesi’nin kaynaklarını elinde bulunduran Gilbert Newton Lewis tarafından bu yöntem çürütüldü.  Daha sonra, Urey ve David Rittenberg Born-Oppenheimer yaklaşımını kullanarak hidrojen ve döteryum içeren gazların özelliklerini saptadı. Bu çalışma karbonun, oksijenin ve azotun bileşiklerinin biyokimyada radyoaktif izleyiciler olarak kullanılabilmesi için zenginleştirilmesine olanak sağlamıştı.

Urey 1932’de Journal of Chemical Physics’i kurdu ve 1940 yılına kadar bu alanda editörlük yapan ilk kişiydi.

Aynı zamanda Urey, 1911 yılında 300 ila 650 voltluk elektrik ve tungsten filamanını kullanarak atomik hidrojen kaynağını keşfeden ve 1932’de yüzey kimyası ile ilgili yaptığı çalışmasıyla Nobel Kimya Ödülü’nü kazanan Irving Langmuir’in  The Scientific Monthly’sinde makaleler yazıyordu.

The Federation for Democracy and Intellectuel Freedom’a başkanlık da yapan Urey, Alman nazizmi karşıtıydı ve bu yüzden aralarında Enrico Fermi’nin de bulunduğu birçok mülteci bilim adamının Amerika’da iş bulmasına ve Amerika’daki yaşama ayak uydurmasına yardımcı oldu.

Manhattan Projesi

1939’da II. Dünya Savaşı’nın Avrupa’ya yayılmasıyla Urey izotopların ayrıştırılması konusunda dünya çapında bir uzman olarak biliniyordu. O ana kadar ayrıştırma kavramı yalnızca hafif elementler için geçerliydi. 1939 ve 1940 yıllarında daha ağır izotopların santrifüjlü ayrıştırılmasıyla ilgili iki makale yayımladı. Bu düşüncesi Niels Bohr’un uranyum 235’in bölünebilirliği ile ilgili spekülasyonlara rağmen önemliydi çünkü uranyumdan ayrıştırılmış  uranyum 235 olmadan zincirleme reaksiyonların olup olamayacağı ile ilgili güçlü şüpheler vardı. Bunun üzerine Urey uranyumun zenginleştirilmesiyle ilgili çalışmalara başladı. Santrifüjlü ayrıştırmanın yanı sıra George Kistiakowsky gaz difüzyonunu olası ikinci bir yöntem olarak önerdi. Üçüncü yöntem olarak da termal difüzyon yöntemi düşünülmüştü. Urey nükleer reaktörlerde nötron moderatörü olarak kullanılabilecek ağır suyun üretimi ve izotopların ayrıştırılmasıyla ilgili bütün çalışmaları başarıyla yürüttü.

Urey, 1941 yılında National Defense Research Committee (NDRC)’nin yürüttüğü uranyum projesinde görevlendirildi. Aynı yıl George B. Pegram ile birlikte atom bombasının gelişimi konusunda işbirliği yapmak üzere İngiltere ile diplomatik bir ilişki kuruldu. Bu ilişki İngilizlerin gaz difüzyonu konusuna olumlu yaklaşmasıyla sonuçlandıysa da hem gaz difüzyonu hem de santrifüj yöntemlerinde teknik engeller söz konusuydu.

1943 yılında Manhattan Projesi hız kazandı ve Urey, Ernest Lawrence’nin elektromanyetik sürecinin dışında  ağır suyun ve bütün izotopların zenginleştirilmesi süreçlerinden sorumlu olan Columbia’daki Substitute Alloy Material Laboratories (SAM Laboratories)’in başkanı seçildi.

Santrifüj yöntemi hakkındaki ilk raporlar bu yöntemin öngörülen kadar verimli bir yöntem olmadığını gösteriyordu. Bunun üzerine Urey, sürekli akış sisteminin yerine daha verili fakat teknik olarak daha karışık bir karşıakım sisteminin kullanılmasını önerdi. Kasım 1941’e kadar teknik engeller sürecin terk edilmesi için bir problem olarak görülüyordu. Savaştan sonra karşıakımlı santrifüjler geliştirildi ve bu yöntem günümüzde de birçok ülkede sık kullanılan bir yöntem haline geldi.

1943 yılının sonlarında Urey’in gaz difüzyonu yöntemi ile ilgili 700’den fazla çalışanı vardı. Bu süreç gaz duvarları aracılığıyla yayılan aşındırıcı (korrosif) uranyum hekzaflorürden ve her aşamada daha da zenginleşen yüzlerce basamaktan oluşuyordu. Bu yöntemle ilgili temel problem pompalar için uygun mühürler bulmaktı fakat en büyük problem uygun difüzyon bariyerlerinin inşaatıydı. 1944 yılında uygun bariyer miktarına ulaşana kadar büyük K-25 gazlı difüzyon tesisinin inşaatı sorunsuz bir şekilde yürütülüyordu. Urey aynı zamanda termal difüzyon yönteminin de destekçisiydi.

1945 yılında Urey projeyi bırakarak görev ve sorumluluklarını R.H. Crist’e devretti. Aynı yıl K-25 tesisi faaliyete geçti ve sorunlar çözüldükçe tesis olağanüstü verimlilikle çalışmasını sürdürdü. Uranyum bir süreliğine S50 sıvı termal difüzyon tesisine, daha sonra K-25 gazlı difüzyon tesisine, son olarak da Y-12 elektromanyetik ayırma tesisine beslendi fakat savaştan sonra elektromanyetik ve termal ayırma tesisleri kapatıldı ve ayırma işlemi yalnızca K-25 ile yapıldı. 1946 yılında inşa edilen K-27 ayırma tesisi savaş sonrasında izotop ayırma tesislerinin başında yer aldı.

Urey, Manhattan Projesi’ne katkılarından dolayı proje müdürü Leslie Groves tarafından  Medal of Merit ödülüne layık görüldü.

Savaş Sonrası

Urey, savaştan sonra kimya bölümü profesörü olarak Institute for Nuclear Studies’e atandı. Kariyerine daha sonra Chicago Üniversitesi Kimya Bölümü’nde Ryerson profesörü olarak  devam etti. İzotoplarla ilgili savaş öncesi araştırmalarına devam etmedi fakat hidrojen ile ilgili bilinenleri oksijene uygulayarak oksijen-18 ve oksijen-16 için karbonat ve su arasındaki ayrımsal damıtmanın 0-25 °C arasında 1.04 oranında azalacağını fark etti. Ölçüm aletinin yeterince hassas olduğu varsayılarak izotop oranı ortalama sıcaklığı belirlemede kullanılabilecekti. Yaklaşık yüz milyon yıllık belemnitin incelenmesi dört yıllık süredeki yaz ve kış sıcaklıklarını gösterdi. Bu paleoiklimsel çalışması sayesinde Urey, Geological Society of America tarafından Arthur L. Day madalyası ve Geochemical Society tarafından da Goldschmidt madalyası ile ödüllendirildi.

Kozmokimya ve Miller-Urey Deneyi

Urey, hayatının geri kalanında kozmokimyanın gelişimi için çalıştı. Oksijen-18’le yaptığı çalışmaları dünyadaki kimyasal elementlerin varlığı  ve yıldızlardaki evrimi ile ilgili teorilerin gelişimine katkı sağladı. Çalışmalarını The Planets: Their Origin and Development isimli kitapta topladı. Urey aynı zamanda karasal atmosferin metan, hidrojen ve amonyaktan oluştuğunu düşünüyordu. Urey’in Chicago Üniversitesi’ndeki yüksek lisans öğrencilerinden biri olan Stanley L., Miller-Urey deneyinde suya ve elektrik kıvılcımlarına maruz kalan bir karışımın yaşamın yapıtaşı olduğu düşünülen aminoasitlerin üretimi için reaksiyon verebileceğini gösterdi.

1956 ve 1957 yıllarında Oxford Üniversitesi’nde misafir profesör olarak görev aldı. 1958 yılında Chicago Üniversitesi’nden emekli oldu ve San Diego Üniversitesi’nde yeniden profesör olarak işe başladı. Burada on bir yıl boyunca fahri profesörlük yaptı ve fen fakültesinin kurulmasında yardımcı oldu.  Aynı zamanda Urey, Stanley Miller, Hans Suessve Jim Arnold ile birlikte UCSD’nin kimya okulunun kurucu üyelerinden biriydi.

1950’li yılların sonu ve 1960’lı yılların başında Sputnik 1’in uzaya fırlatılmasıyla uzay bilimi güncel bir araştırma alanı haline geldi. NASA’yı insansız sondaları kullanmaları konusunda destekledi. Apollo 11 Ay’dan döndüğünde oradan gelen kaya örneklerini Lunar Receiving Laboratory’de inceledi. İncelediği bu örnekler Urey’in Ay’ın ve Dünya’nın aynı kökeni paylaşma fikrini destekledi. Urey UCSD’deyken 47 tanesi Ay ile ilgili olan 105 bilimsel makale yayımladı.

Urey The Planet dışında Atoms, Molecules and Quanta isimli bir kitap daha yazdı.

Miller – Urey Deneyi

Ödüller ve Onurlar

1934 – Nobel Kimya Ödülü

1934 – American Kimya Derneği tarafından Willard Gibbs Medal

1940 – Royal Society tarafından Davy Medal

1940 – Franklin Madalyası

1943 – Medal for Merit

1946 – Cordoza Ödülü

1947 – American Astronomocal Society tarafından Harold C. Urey Ödülü

1954 – American Institute of Chemists tarafından Onur Ödülü

1954 – Joseph Priestley Ödülü

1955 – Alexander Hamilton Ödülü

1961 ve 1962 – Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Bilimler Akademisi’nden J. Lawrence Smith  Ödülü

1964 – National Medal of Science

1966 – Gold Medal of the Royal Astronomical Society

1973 – Amerikan Kimya Derneği tarafından Priestley Medal

Urey aynı zamanda Montana, Princeton, Newark, Columbia, Oxford, Washington ve Lee, McMaster, Yale, Indiana, Birmingham, Atina, Durham ve Saskatchewan, Wayne ve Kaliforniya Üniversitelerinin fahri doktora dereceleriyle ödüllendirildi.

Dünyanın önde gelen bilim topluluklarından Chemical Society (London), Indian National Science Academy ve Weizmann Institute of Science (Israel)’nin fahri üyesidir.

Uzay ile ilgili yaptığı çalışmaların sonucunda bir asteroid 4716 Urey olarak adlandırıldı ve adı Hindistan’daki bir okula Harold C. Urey Middle School olarak verildi. UCSD’de bulunan  Revelle College’deki bir kimya binası Urey Hall  olarak adlandırıldı.