Jacob Bigeleisen

Profesör Bigeleisen’in çabaları yalnızca teoriye bağlı değildi. Nadir gazların yoğunlaştırılmış gaz özellikleri üzerindeki izotop yer değiştirmelerinin, hidrokarbonlardaki ve diğer moleküllerde ki H/D yer değiştirmelerinin etkilerini içeren bir dizi deneysel çalışmalar yaptı. Bigeleisen, ABD Enerji Bakanlığı ve eski adıyla Atomik Enerji Komisyonu tarafından kullanılan en önemli izotop ayrıştırma proseslerinin geliştirilmesinde kilit rol oynadı. Bigeleisen mesleğine, üniversite yönetimine, Ulusal Bilimler Akademisine ve Gordon Araştırma Konferanslarına olan hizmetlerinde son derece aktif bir rol alarak devam etti.

Hayatının Erken Dönemleri

Jacob (Jake) Bigeleisen 1919 yılında Paterson, New Jersey’de göçmen bir ailenin çocuğu olarak dünyaya geldi. Annesi (Ida Slomowitz Bigeleisen) ve babası (Harry Bigeleisen) 1910 ve 1914 yıllarında küçük bir köy olan Ozorkow’dan (Lodz’un bir banliyösü, Polonya) Amerika’ya gelmişlerdi. Anne ve babası 1916 yılında evlenmişti ve Jake’in iki tane kız kardeşi vardı: ilk kız kardeşi Esther ve küçük kız kardeşi Shirley. Harry Bigeleisen bir kürkçüydü ve 1928 yılında aile evinden işletilen kendi işine başladı. Bigeleisen ailesi fakir değildi fakat Jake‘e göre onlar orta sınıfın daha altındaydılar. Ailedeki herkes uzun saatler çalışırdı.

Jake derdi ki, “Bir genç olarak en çok eğlendiğim şey okuldu, özellikle de lise. 6 yaşından 13 yaşına kadar günde iki saat gittiğim Yahudi okulu ve dini ibadetler hiç o kadar da eğlenceli değildi.” Jacob 1,200 kişinin kayıtlı olduğu Eastside Lisesi’ne kayıt yaptırdı. Sınıf arkadaşlarının yaklaşık %15’inin yaptığı gibi klasik müfradata dahil oldu. Bu oldukça sıkı bir programdı; dört yıl Latince, dört yıl İngilizce ve üç yıl Almanca, üç yıl matematik, iki yıl sosyal bilimler ve bir yıl kimya ve fizik ve sonra mekanik atölye ve beden eğitimi gibi akademik olmayan konular da programa eklendi.

Jake 1935’de Buhran döneminin ortalarında mezun oldu. Babası ona ticaret öğretmek istedi fakat annesi onun üniversiteye devam etmesi konusunda kararlıydı. Bir aile arkadaşı ona kimyayı önerdi çünkü daha sonra İpek Şehri olarak da bilinen Paterson’da arkadaşının kayınbiraderinin sahibi olduğu küçük bir boyahanesi vardı. Her boyahanede bir kimyager istihdam edilirdi.

Jake’in rehberlik danışmanı ve Latince öğretmeni, Bayan Munchen Russak, onu Bronx’da University Heights bölgesinde bulunan New York Üniversitesi’ne başvurması için cesaretlendirdi. Başvuru hemen kabul edildi ama ilk yıl için finansal yardım yapılmadı. “Kayıt oldum”, dedi Jake, ve “Üniversitede, hakkında hiçbir şey bilmediğim koca bir dünya buldum dışarıda; araştırma yapmanın ve yeni bilgileri keşfetmenin heyecanını keşfettim. Asla boyahanede bir iş aramadım.”

Jake, University Heights’da olağanüstü bir rekora imza attı ve Phi Beta Kappa seçimi de dahil olmak üzere bir dizi prestijli burs ve ödüller aldı. 1939’da mezun olduktan sonra, ancak 20 yaşındayken, önde gelen bir üniversitedeki bir yüksek lisans programına kabul edilmesini sağlayabilecek her türlü şartı sağlıyordu. Fakat, büyük olasılıkla o dönemde çok yaygın olan dini önyargılar dolayısıyla bu hemen olmadı. 1 Nisan’da ki bildirim tarihinden altı hafta sonra Mayıs ayında bir ara Jake’in kız kardeşi Esther ona neden Columbia’ya başvurmadığını sordu ve ona Kimya bölümü başkanı Harold Urey ile görüşmesini önerdi.

Urey, Jake’in transkriptini aldıktan sonra Columbia için 1939 güz yarıyılı başvurularının geçtiğini ve güz döneminin kapanmasının yakın olduğunu fakat Pullman, Washington’da bulunan Washington Eyalet Üniversitesi’ne henüz katılmış, oldukça başarılı bir mülteci olan Viyana’dan Otto Redlich’in yüksek lisans öğrencilerine ihtiyacı olduğunu söyledi. Ardından Urey, Jake’in bilgilerini Washington Eyalet Üniversitesi’ne iletti. Bu durum, Eylül ayında Jake’in tüm eşyalarını annesinin 1910’da Amerika’ya gelirken kullandığı küçük çantayı alarak, Paterson’dan Pullman’a üç gün üç gecelik tren yolculuğuna çıkmasıyla sonuçlandı.

Lisansüstü Çalışmaları

Washington Eyalet Koleji, Jake’e akademik yıl için 225 dolar olan yarı zamanlı öğretim asistanı bursu ve buna ek olarak saat başına 0,35 dolardan 100 dolarlık bir komisyon verdi. Kolej o zamanlarda doktora derecesi verme yetkisine sahip olsa da o yüksek lisans programına kayıt oldu. Jake başından beri doktora derecesini büyük bir üniversiteden almak istiyordu.

Redlich ile olan yüksek lisans tezi için, Jake güçlü bir elektrolitin ayrışma sabitinin kesin değerinin hesaplamasını yapmak için akıllıca bir teknik geliştirdi ve bu büyük ihtimalle ilk kez yapılan bir şeydi. Nitrik asit / sodyum nitrat çözeltilerinin Raman spektrumundaki nitrat çizgilerinin yoğunluklarının karşılaştırılması, önceki yöntemlerde ortaya çıkmış hataları ortadan kaldırırken asidin ayrışma sabitini doğru bir şekilde belirlemesine olanak sağladı. Zaman kazandıran bu yöntem, moleküllerin oluşturduğu bileşiklerle iyon çiftlerinin oluşturduğu bileşiklerin ayırt edilmesi için titiz deneysel ve kuramsal ölçütlerin geliştirilmesine yol açtı. Redlich ile olan bu çalışmasına ek olarak, Jake Washington Eyalet Üniversitesi’nde klasik, kuantum ve istatistiksel mekaniğin de dahil olduğu teorik fizikte iyi bir temel edinme fırsatını yakaladı. Clarence Zener ile bu üç konu üzerinde çalıştı.

Washington Eyalet Üniversitesi’nde ki not ortalamasıyla Jake, California Üniversitesi’nin (Berkeley) doktora programına girmekte hiç zorlanmadı. Ağustos 1941’de Berkeley’e gelişinden bir hafta sonra, Kimya Fakültesi’nin dekanı Gilbert N. Lewis’e asistanlık yaptı. İlk olarak Jake öğretim asistanı bursuyla destekleniyordu fakat Aralık’ta Lewis ona araştırma görevlisi pozisyonunu teklif etti, böylece Jake’in maaşı ikiye katlandı. Jake, G.N. Lewis’in Michael Kasha ile birlikte son iki öğrencisinden birisiydi.

Jake, katı çözücüler içinde aromatik moleküllerin absorpsiyon spektrumlarını araştırdığı teziyle 1943’de Berkeley’den doktora derecesini aldı. David Lipkin’le çalışırken Lewis, daha önce polarize ışığı kullanarak aromatik moleküllerin bu gibi solventlerde fotooksidasyonunun, güçlü polarize absorpsiyon spektrumu olan renkli moleküller ürettiğini bulmuştu. Jake bu bilgiyi ışınlanmış moleküllerin ve bunların fotokimyasal reaksiyon ürünlerinin optik eksenlerini saptamak için yaratıcı bir şekilde uyguladı. Gözlemlediği reaktanların ve ürünlerinin optik eksenlerinin yönleri aralarında ki ilişkileri ve eksen yönü ve moleküler yapıları arasında ki ilişkileri, bu moleküller için yarı klasik spektrum teorisinin belirgin bir uzantısını temsil etti ve spektroskopi ve fotokimyada daha sonra yapılacak olan gelişmelerin yolunu açtı. Jake bu ilişkilerin fiziğini çalıştı fakat çalışmalarının sonuçlarını Lewis’e sunarken bir düzlem üzerinde y ve z eksenleriyle birlikte x eksenini dikey olarak belirlediği ve ışığın x ekseni boyunca hareket ettiği bir koordinat sistemini kullandı. Lewis, “Bu laboratuvarda ışık, z ekseni boyunca ilerler.” ifadesi ile bir anda onu durdurdu. Jake geri dönüp bütün notasyonunu değiştirmişti- hiç kolay bir iş değildi. Sonra Lewis yavaş yavaş bütün türetmeyi bir kez daha gözden geçirdi ve “Bunu temize çekmeni istiyorum. Sonra tezine koy. Tezinde başka neyin olduğu önemli değil. Bu kabul edilecek.” diye açıkça belirtti. Jacob’un doktora tezi sadece 28 sayfa uzunluğundaydı.

Bigeleisen’in Lewis’le yaptığı spektroskopik çalışmaları Journal of the American Chemical Society’de 1942’den 1944’e kadar sekiz makalelik bir seri halinde yayınlandı. Bu esnada doktora derecesini alan Jake, Haziran 1943’de New York’taki Columbia Üniversitesi’ndeki Manhattan Projesi’ne katılmak için Berkeley’den ayrıldı.

Manhattan Projesi

Columbia Üniversitesi’nde Harold Urey tarafından yürütülen Manhattan Projesi’nin SAM (Special Alloy Materials) laboratuvarlarının birincil görevi Oak Ridge’de ki gaz difüzyon tesisi için Ar-Ge desteği sağlamaktı. Fakat, SAM aynı zamanda Trail, BC’de halihazırda kullanılmış olan ağır su üretimi için iyileştirilmiş bir proses geliştirmişti; ve laboratuvar diğer araştırma programlarını gaz difüzyonu için yedek olarak uyguladı. Bunlara, Virginia Üniversitesi’ndeki J. W. Beams eşliğinde, uranyum izotoplarını ayırmak için bir kimyasal işlem, bir foto-proses ve bor izotop ayrıştırma işlemi ile birlikte bir gaz santrifüj programı dahil edildi. Jake’in bilmediği şey düşük sıcaklık fotokimyası ve spektroskopi üzerinde ki uzmanlığı nedeniyle foto-proses üzerinde çalışması için işe alınmış olmasıydı. Proje devam ettiği süre boyunca bu projede toplamda 15 kişi çalıştı. Burada üzerinde durulan nokta, ²³⁸U ve ²³⁵U bileşiklerinin spektrumları arasında ki farklılıkların aranmasıydı. En umut verici maddeler keskin bir çizgisel spektrumu olan uranil (UO₂²⁺) bileşikleriydi. Bir teorisyen olan Maria Goeppert-Mayer, projede yarım gün çalıştı ve sadece bu kadar kısa süreli bir çalışmayla bile uranil tuzlarının vibronik spektrumunu anlamada dikkate değer gelişmeler kaydetti.

1943 sonlarında Urey, Jake’den uranyum bileşiklerinin izotopik özelliklerinde meydana gelen farklılıkları hesaplamasını istedi. Klasik ve kuantum mekaniği ayrılım işlevlerinin oranını ifade eden RPFR (reduced partition function ratio) formülasyonunun geliştirilmesine doğrudan yol açan bu çalışma idi. Maria Mayer’e ihtiyaç olduğunda o hasta iznindeydi ancak Aralık başında dönüşünde Bigeleisen’e katılarak RPFR’nin ayrıntılarını inceledi. Standart yaklaşımları kullanarak, (gaz fazı için) RPFR’nin logaritmasının, izotopik harmonik osilatör ayrılım işlevlerinin oranının basit bir fonksiyonu olduğunu ve izotop serbest enerji farkını ve dolayısıyla izotop ayrım faktörlerini tanımlayan denge sabitini verdiğini gösterdiler. Klasik sınırda denge izotop etkileri ve lim (ln (RPFR)) = 0 olmadığına dikkat edin. Dolayısıyla, RPFR formalizminin gücü, (çok küçük) farklılıkları belirlemek için her izotopomerin özelliklerini ayrı ayrı hesaplayan yöntemlerde ortaya çıkan zorluklardan kaçınarak, doğrudan izotopik farklılıklara odaklandığı gerçeğine dayanır.

BC zamanında (before computers/bilgisayarlardan önce) çok sayıdaki küçük farkları doğru bir şekilde tanımlamak için gerekli olan yüksek hassasiyetli hesaplamaların, masaüstü mekanik hesap makinelerinin en iyi kullanımında bile (özellikle makinelere eklenerek) son derece sıkıcı ve hataya eğilimli olduğunu unutmayın. RPFR’yi kullanarak, Bigeleisen-Mayer yöntemi, mekanik bir hesap makinesiyle bile (+/-) 0.0001 hassasiyetini sağlamıştır.

Her halükârda mevcut RPFR varken, Urey kimyasal ayırma programını yeniden etkinleştirdi ve Jake, çeşitli kimyasal işlemler kullanarak uranyum izotopları için teorik ayırma faktörlerini hesapladı. Bu çaba çok yakında bor izotopları da dahil olmak üzere diğer izotopik çiftler için ayırma faktörlerinin hesaplamalarına kadar genişletildi.

Johns Hopkins Üniversitesi, Columbia’da bulunmayan seçkin spektrografik tesislere sahipti, bu yüzden Haziran 1944’te Jake, uranil tuzlarının spektrumları üzerinde çalışmaya devam etmek için Hopkins’in Fizik Bölümü’ne özel göreve gönderildi. Ocak 1945’te Baltimore’dan geri çağrıldı ve Urey’i SAM direktörü olarak seçen Willard Libby’ye yeniden atandı. 1945 yılının ilk yarısında zaman zaman Jake’e bir hafta süreyle Baltimore’a dönme izni verildi ve Hopkins’de işlerini bitirdi.

Savaş, Ağustos 1945’te sona erdiğinde ve Jake akademik bir görev için randevu almak istediğinde beklemediği üç tane teklif aldı: İlk olarak metaller için Chicago Üniversitesi’nde kurulan bir enstitüde direktörlük yapan Clarence Zener’den; ikinci olarak yine Chicago’da olan fakat bu sefer Moleküler Yapı Laboratuvarı’ndan R.S. Mullikan’dan, ve üçüncü olarak da olası bir jet yakıtı olarak sıvı hidrojeni araştıran Ohio State’den Herrick L. Johnston’dan. Eylül ayı sonlarında Chicago’daki Nükleer Araştırmalar Enstitüsü (şimdiki Enrico Fermi Enstitüsü) müdürü Urey ile görüştükten sonra, Jake bu enstitüye katılmayı tercih ettiğini söyledi. Henüz resmi bir teklif yoktu ama Urey oldukça açık ve kesindi. “Enstitünün bir üyesi olarak göreve getirileceğimi, öğretme sorumluluğu olmadan kendi araştırmamı yapmakta özgür olduğumu söyledi” diye anımsadı Jake. “Bu iki yıllık bir görevdi. …Urey, eğer bir yıl Ohio State’e gidip Chicago’ya gelirsem, onların planlarına bunun çok iyi uyacağını söyledi. Böylece anlaştık.”

Evlilik, Ohio State, Chicago   

Jake, 21 Ekim 1945’te aynı zamanda Paterson’da ailesinin evinden birkaç blok ötede büyüyen Grace Simon’la evlendi ve Laurentians’da kısa bir balayı sonrasında Columbus’tan ayrıldılar. Birkaç yıl sonra Grace ve Jake’in 3 tane oğlu oldu: Şu anda Francisco’da bir avukat olan ve 1948’de doğan David; şu anda Los Angeles’da bir kantor olan ve 1951’de doğan Ira, ve 1953’de doğan ve yaşamını Baltimore’da ki Maryland Üniversitesi’nde fizik araştırmacısı olarak devam ettiren Paul. Son olarak da aile üç gelin ve altı torunla birlikte genişledi.

Ohio State’de Jake, bir yılın büyük bir bölümünü sıvı hidrojen depolaması için iyileştirilme çalışmalarını geliştirmek üzerine çalışarak geçirdi. Kızılötesi ışınımı yansıtan veya dağıtan yalıtım malzemeleri dışında yalıtımın tek fonksiyonunun duvarlar arasındaki hava ve diğer gazların taşınımını azalttığını gösterdi. Johnston’la kısa süre kalmasına rağmen, Ohio State’de kazanılan kriyojenik deneyim, Jake’e, daha sonraki yıllarda 20^oK ‘e kadar düşük sıcaklıklarda yoğunlaştırılmış faz izotop etkilerini incelemek için deneysel programını geliştirirken oldukça yardımcı oldu.

Temmuz 1946’da Jake ve Grace Chicago’ya gitmek için Columbus’dan ayrıldı. Yaşamak için bir yer bulmak zordu ve Bigeleisenler çeşitli fakülte üyelerinden kiralanan odalarda, ardından da nihayetinde fakülte konutlarına dönüştürülen bir ordu kışlasında kaldı. Jake Chicago’da, kimya bölümündeki mevcut spektrografların kendi amacı için elverişsiz olduğunu farketti. Bu nedenle, uygun bir alet tasarlamak ve oluşturmak için çok fazla zaman ve emek harcadı. Buna ek olarak, üniversite birinci sınıf öğrencilerine kimya anlatmak ve fiziksel kimya laboratuvarında eğitim vermek için gönüllü oldu.

Buraya kadar Jake’in gelecekteki kariyeri Chicago’da Goeppert-Mayer ile SAM laboratuvarında yaptığı en önemli çalışmasının gizliliğinin kaldırılmasıyla araştırmalarının yayınlanmasının hazırlıklarıyla ilgiliydi. En büyük etkiyi “İzotopik Değişim Reaksiyonları için Denge Sabitlerinin Hesaplanması” (Bigeleisen and Goeppert-Mayer 1947) isimli makalesi bıraktı. İkinci bir makalede uranyum hekzafloridin titreşim spektrumlarının deneysel hesaplamaları ve teorik analizini ve bunların termodinamik özelliklerinin hesaplanmasını konu aldı. 40’ların başında ki SAM fikri, ²³⁸U’nun bileşiklerinde bir şekilde bulunan ²³⁵U tarafından ışığın absorbe edilmesinden faydalanılarak parçalanamayan ²³⁸U’dan ²³⁵U’yu gidermekti. O zamanlar mevcut ışık kaynakları ile bunları yapmak pratik değilken, Jake’in 1943-45 ölçümlerinin, 20. yüzyılın sonlarında kapsamlı bir şekilde araştırılan uranyum-izotop ayrımı için lazer proseslerinin tasarımında son derece kullanışlı olduğu ortaya çıktı.

Bigeleisen-Mayer İzotop Değişim Makalesi Hakkında Ek Açıklamalar

Bigeleisen Mayer formülasyonunun en önemli özelliği denge üzerindeki izotop etkilerinin titreşimsel kuantum etkilerini anlamamızı sağlayabilmesidir. İzotop etkileri bu nedenle dengeyi tanımlayan denklemin iki tarafında izotop sübstitüsyon pozisyonlarındaki (izotoptan bağımsız) kuvvet sabitindeki değişiklikleri yansıtır. Böylece, ilk kez, izotop etkileri doğrudan bağ kuvvetlerine bağlandı. Daha hafif izotopa bağlı olan bağlar, titreşim enerji seviyelerindeki farklılıklarından dolayı daha ağır olanlara bağlı olanlardan göre daha kolay kırılır. Bunu takiben ağır izotop, en kuvvetli şekilde bağlı olduğu kimyasal türlere sahip çıkar.

Bu ilkelere dayanarak, izotop etkileri birçok alanda önemli araçlar haline gelmiştir. Bu alanlar izotop ayırma için yeni proseslerin de aralarında bulunduğu kinetik izotop etkileri teorisi ve bunların organik, biyokimya ve enzim reaksiyon mekanizmalarında kullanımı, yoğunlaştırılmış faz izotop etkileri teorisi, yoğunlaştırılmış madde içinde kuantum etkileri ile ilgili bulguları ve kararlı izotop jeokimyasının gelişimi olarak gösterilebilir. BM teorisinin en erken kullanımı izotop ayrımına uygulanmasıydı. Bu uranyum izotoplarının kimyasal olarak ayrılabileceğini öngördü ve döteryum, trityum, ⁶Li, ¹³C ve ¹⁵N gibi zenginleştirici izotoplar için kimyasal değişim süreçlerine yol açtı. (Bununla birlikte, ağır metal izotopları için RPFR hesaplanan ayırma faktörlerine önemli nükleer boyut ve şekil düzeltmeleri vardır. Bu düzeltmeler, titreşim katkılarından bile çok daha büyük olabilir. Jake, BM kağıtlarından 50 yıl sonra 1990’larda böyle beklenmedik etkileri teorik olarak açıkladı!) BM formülasyonu denge izotop etkileri problemini basitleştirerek, doğal süreçleri anlamak için birçok olanak doğurdu. İzotopik zenginlikler artık kararlı izotopların kimyasal veya fiziksel süreçlerin tamamında ki döngüsü açısından yorumlanabilir ve böylelikle çok zengin bir bilgi üretilebilirdi.

Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda Yirmi Yıl, 1948-1968

Jake atanmasından iki yıl sonra Chicago’dan ayrıldı. Spektrometre yapımına yatırım yapmak için kendi yararına kullanabileceği fazladan bir yıl daha kalabilirdi fakat Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’na katılma şansını elde edince hemen buradan ayrıldı. BNL, atom enerjisinin barışçıl uygulamaları üzerine temel araştırma yapmak için ABD Atom Enerjisi Komisyonu (AEC) tarafından kurulan yeni bir tesisti.

Brookhaven’da Jake’in kariyeri yoğunlaştı. 1949’da, Bigeleisen-Mayer teorisinin kinetik izotop etkilerine (KIEs) kadar uzanmasını formüle etmeye başladı ve analizleri, KIE’lerin geçiş durumunun özelliklerini araştırmak için bir yöntem sunduğunu gösterdi. Sonuç olarak, son 60 yılda KIE’ler, mekanik organik kimya, biyokimya ve enzimolojide önemli bir araştırma aracı olmuştur ve seneler boyu birçok makale yayınlanmıştır. KIE’ler o kadar yararlıdır ki, izotop kimyasının ilkeleri arasındaki bağlantı ve deney mekanizmasının tepki mekanizmaları açısından yorumlanması, reaksiyon mekanizmalarının niceliksel olarak yorumlanması için diğer yöntemlerden daha güvenilir, daha şeffaf ve daha iyi kurulmuştur. Bu yararlı sonuç doğrudan 20. yüzyılın ortalarında Brookhaven’da Jacob Bigeleisen ve arkadaşları, özellikle Max Wolfsberg ve Ralph Weston’ın etkisiyle ilişkilendirilebilir.

Brookhaven yıllarında Jake, Amerika Birleşik Devletleri’nde geliştirilen neredeyse her büyük ölçekli izotop ayrıştırma sürecine katkıda bulundu. Bu süreçler arasında ağır su üretimi, trityum zenginleştirme, lityum ve bor izotoplarının ayrılması ve uranyum zenginleştirme yer alıyordu.

Brookhaven’ın ilk günlerinde Jake, ağırlıkla izotop ayrımı çalışmalarına katıldı. 1950’de sıvı amonyak ve hidrojen gazı arasındaki katalitik değişimle ağır su üretme fikrini tasarladı. Sürecin dengesi ve kinetiği üzerine temel çalışmalar BNL’de gerçekleştirildi, ancak bu sonuçlar ABD Savannah Irmağı Tesisi gereksinimlerini karşılamak için çok geç geldi. Buna rağmen, Jake Du Pont mühendislerine ikili sıcaklık H₂S / H₂O değişim sürecini kullanan tasarımlarında danışman olarak hizmet etti. Birkaç yıl sonra Fransızlar, Mazingarbe’deki ağır su tesisi için NH₃ / H₂ prosesini benimsediler. 1952’de Jake, termonükleer program için gerekli olan lityum izotoplarını ayırmak için en iyi işlemi belirleyen program olan AEC’de danışma komitesinde görev yaptı. 1969-1990 yılları arasında Oak Ridge’de uranyum zenginleştirmesi konusunda danışman olarak görev yaptı, bu süreç boyunca uranyum zenginleştirmeye yönelik tüm süreçlerin büyük incelemelerine katıldı ve mevcut kullanımdaki süreçlerin seçimi üzerinde büyük bir etkisi oldu. Jake’in izotop ayrımına yaptığı katkılar 1964 E. O. Lawrence Ödülünü Başkan Lyndon Johnson’dan almasını sağladı. Ödül, “İzotop ayrımına olağanüstü deneysel ve teorik katkıları adına” başlığı altında verildi.

Ayrıca Brookhaven’da, Bigeleisen, gazlardaki katılar ve sıvılarda genişletilmiş denge izotop teorisine yönelik çalışmalarına başladı. Yoğunlaştırılmış faz izotop etkileri hakkındaki ilk kuramsal raporu 1961’de ortaya çıktı. Bu teorik ilerlemesine eşzamanlı olarak Jake, buhar basıncı izotop etkilerini yüksek hassasiyetle ölçmek için deneysel bir program geliştiriyordu. Buhar basıncı izotop etkisi çalışmaları, molekül içi kuvvetler ve poliatomik moleküllerin sıvı ve katılardaki hareketi için yeni bir araştırma alanı açtı. Özellikle ilginç olanı, kuantum mekaniği çevirme-dönme birleşimi, engellenmiş rotasyon bariyerlerinin tanımlanması, ve sıvılarda ve katılarda titreşim ile rotasyonun simetri kontrollü birleşiminin gösterilmiş olmasıdır. Jake’in nadir gazların buhar basıncı izotop etkilerine ilişkin daha sonraki ölçümleri (çoğunlukla Rochester Üniversitesi ve New York Eyalet Üniversitesi Stony Brook’da gerçekleştirildi), moleküller arası potansiyel ve radyal dağılım fonksiyonu ile sıvı veya katı bir moleküldeki ortalama kare kuvveti arasındaki ilişkiyi belirgin bir şekilde belirledi.

60’ların ortalarında T. Ishida ortaklığında Jake, harmonik osilatörlere n. seviye kuantum doğrulamasında kesin değerler elde etmek için sonlu ortogonal polinomların kullanımını ve bu sebeple BM formalizm yoluyla izotop etkilerini araştırdı. Sonlu ortogonal polinomlar, Jake’in 1955 ile 57 yılları arasında bildirdiği izotop kimyası kurallarının genişletilmesine bir temel sağlamıştır. Bunlara geometrik ortalama kuralları, diğer katkı maddeleri ve çoklu izotop sübstitüsyonu ile ilgili birikimli kurallar yaklaşımı da dahildir.

Akademiye Geçiş, 1968-1989

Jake hala BNL’nin kadrosundayken, Cornell’de İsviçre Teknoloji Enstitüsü (Zürih) ve Buffalo’da New York Eyalet Üniversitesi’nde misafir öğretim üyesi olarak bulundu. Bu deneyimler kesinlikle BNL’den Rochester Üniversitesi’ne (1968-1978) geçiş yapma kararını etkiledi. Rochester’da Jake, yoğunlaştırılmış faz izotop etkilerine odaklanan aktif bir araştırma programına (ABD Enerji Bakanlığı tarafından finanse edilen) devam etti. 1970 ve 1975 yılları arasında Kimya Bölümü başkanlığını yürütürken, araştırma ve öğretim alanındaki aktif rolünü korudu. Rochestar’da ve daha sonrasında da, lisansüstü düzeyde termodinamik ve istatistik mekaniği, üniversite birinci sınıflara ise kimya dersi verdi.

1978 yılında Jake, Stony Brook’da New York Eyalet Üniversitesi’ne araştırma başkan yardımcısı ve lisansüstü öğrenim dekanı olarak atandı. İdari görevlerinin yanı sıra, aktif araştırma programını izotop kimyasında hem deneysel hem de teorik olarak sürdürmeye devam etti. 1980’de idareden istifa etti ve önce kimya alanında ileri gelen profesörlerden biri olarak sonra da ordinaryüs olarak tam zamanlı öğretimine devam etti. Jake 1989’da emekliye ayrıldı ancak önce Stony Brook ve daha sonra Arlington, VA’daki huzurevinde izotop etkileri üzerine teorik araştırmalar yapmaya devam etmiştir. Resmen emekli olduktan sonra da verimli çalışarak, alan değiştirme düzeltme (fieldshift correction) teorisini Bigeleisen-Mayer formalizminde geliştirdi; düzeltme, atom ağırlığı yüksek atomlar için çekirdekte yüksek yük yoğunluğundan dolayı elektronik enerji durumlarındaki bir kaymadan kaynaklanmaktaydı. Bu etkileyici teorik analizle, uranyum ve diğer ağır metal izotopları için gözlemlenen anormal kromatografik ayırma faktörlerini nicel olarak rasyonalize etti.

Mesleğe Hizmet

Jacob Bigeleisen, “İzotopların Kimyası ve Fiziği” konulu Gordon Konferansı’nı başlatan baş aktördü ve 1954’te yapılan ilk toplantıya başkanlık etti. Her yıl veya iki yılda bir devam eden konferans, izotop ayrımı ve izotopların jeoloji, meteoroloji, tıp, biyoloji, fizik ve kimyanın her alanında uygulamaları ile ilgilenen bilim insanlarını cezbetmektedir. Jake’in bu toplantılarda varlığını sürdürebilmesi, pek çok alanda özgün sonuçlar doğurdu ancak organik kimya, biyokimya ve enzimoloji için en kapsamlı ve derinden etkili ve titiz bir izotop etkisi biçimlendirmesinin kullanılmasını sağladı.

1968 yılında Jake, üç yıllığına Gordon Konferansı’nın yönetim kurulunda bulundu ve 1970’de yönetim kurulu başkanlığına seçildi. Bu, kuruluşun zor bir geçiş döneminde olduğu bir zamandı ve Jake, tüm işletme operasyonunu gözden geçirmekte ve daha sıkı ve daha olumlu bir finansal pozisyona yol açan revizyonlar ve iyileştirmeler önermişti. Bu zaman alıcı ama çok takdir edilen çalışma, şimdi her yıl yaklaşık 150 farklı konferansa sponsorluk yapan Gordon Konferanslarının devam eden mükemmelliğine maddi olarak katkıda bulunmuştur.

Jacob, 1966’da Ulusal Bilimler Akademisi’ne (NAS) seçildi ve daha sonra çeşitli pozisyonlarda görev aldı. Örneğin, 1976’dan 1980’ye kadar, Ulusal Araştırma Konseyi Matematik ve Fizik Bilimleri Meclisi Başkanlığı yaptı ve bu alanlardaki tüm programların ve personelin sorumluluğunu üstlendi. Bu süre zarfında Jake’in aktif katılımıyla gerçekleştirilen bazı önemli çalışmalar şunlardı:

• Özel Sinkrotron Radyasyon Tesisleri için İhtiyaç ve Fırsatlar. Bu çalışma, Cornell, Wisconsin ve Stanford tesislerinin restorasyonunun ve Brookhaven’da Ulusal Sinkrotron Işık Kaynağının inşasının yapılmasının önünü açmıştır. Daha sonra Argonne ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarları’nda özel tesisler inşa edildi.
• Hubble Teleskop Kullanımı Komitesi. Bu çalışma, Johns Hopkins Üniversitesi’nde Hubble programını yönetmek için bir tesis kurulmasıyla sonuçlandı.
• 1980’li yıllarda ABD Deniz Kuvvetleri’nin C3 (komuta, kontrol ve iletişim) için yeni yönergeler ortaya koyan bir Deniz Araştırmaları Kurumu çalışması.

1978’de Bigeleisen, Çin Halk Cumhuriyeti’ni ziyaret eden ve bir dizi kilit üniversite, araştırma tesisi ve sanayi bölgesi gezen Glenn Seaborg’un başında bulunduğu çoğunluğu kimyager olan bir grup bilim insanından birisiydi. Bu, Çin topraklarının bu tür resmi delegasyonlara açık hale geldiği bir zamandı. Jake bu bölgelerin bazılarında dersler vermiş ve delegasyonun raporuna, özellikle de Çin’deki izotop kimyasının durumunu anlatan bölümüne geniş ölçüde katkıda bulunmuştur. Bu ziyaretten sonra oluşan temaslar ABD-Çin ilişkilerine bilim ve teknoloji açısından önemli bir katkı sağlamıştır. Birkaç yıl içinde Jake, Amerika’da vakit geçirmek için ilk Çinli doktora sonrası öğrencilerden birine ev sahipliği yaptı. Bunu Çinli bilim insanlarını, Gordon İzoptop Etkileri Konferansı da dahil olmak üzere ABD kurumlarına ve bilimsel toplantılara yapılan davetler takip etti.

Diğer İlgi Alanları Ve Başarılar

Jake’in ilgi alanlarından hiç birisi mimariye olan yeteneklerinden daha iyi değildi. Grace ve Jake, BNL’ye vardıktan kısa bir süre sonra, NY, Bayport’taki 47 Fairview Avenue’de laboratuvardan yaklaşık 15 kilometre uzakta kendilerinin inşa ettikleri yeni evlerine yerleşmeye karar verdiler. Jacob’un yenilikçi özelliklerini içeren ayrıntıları hazırlamak için bir mimarla birlikte çalışıyorlardı. Sonuç olarak, belki de, 1959’da BNL’deki yeni kimya binası için Yapı Komisyonu başkanlığına getirildi ve onun mimari ilgisi, bina sakinlerinin verimli kullanması açısından büyük binaların tasarımında kullanıldı. O bina için tanınmış birçok mimarla röportaj yaptıktan sonra, Marcel Breuer ile güçlerini birleştirdi ve birlikte bir servis çekirdeği ile karşılıklı akreditif araştırma birimleri kavramını (hem endüstriyel hem de akademik araştırma laboratuvarlarında yaygın olarak kullanılan bir özellik) geliştirdiler. Marcel, 1981’de ölünceye dek ikisi iyi birer arkadaş olarak kaldılar. BNL’deki bina, birkaç yıl önce, zaman dayanıklılık testini geçiren birkaç bilimsel binadan biri olarak yazıldı.

BNL kimya binası tasarımının bir aşamasında Jake, oditoryum koltukları sorununun göz önüne alınmasını sağladı ve o zaman mevcut koltukların rahat olmadığı sonucuna vardı. Amerikan Koltuk Şirketi (American Seating Company) ile işbirliği içinde, gelişmiş koltuk özellikleri formüle etti. Daha sonra, onun oditoryum koltuk tasarımı New York City Lincoln Center’da ve Kennedy Merkezi ve NAS’nın Dryden Oditoryumu (her ikisi de Washington’da) tarafından da kullanıldı ve Jake özellikle bunlarla gurur duyuyordu. Daha sonra, Jacob’un mimari ilgileri, Rochester ve St James Brook’taki (Stony Brook’in yakınında) evlerinde ve Grace’in dairesinde sergilendi.

Jake çok fazla kitap okurdu. O ve Grace, New York City, Rochester ve Washington bölgelerinde yaşamın kültürel avantajlarından çok keyif aldı. Düzenli olarak operaya giden hevesli birer opera hayranıydılar. Evleri, çoğunlukla modern olan, kendi seyahatlerinde topladıkları sanat eserleriyle dekore edilmişti. Grace özellikle başarılı bir kumaş tasarımcısı ve uzmanıydı.

Jacob Bigeleisen’in Vefatı

Manhattan Projesi’nin bir parçası olarak atom bombasının geliştirilmesinde çalışan ve kimyasal reaksiyonların analizinin yeni yollarının keşfedilmesine büyük yardımları dokunan izotop kimyacısı Jacob Bigeleisen, 7 Ağustos 2010’da 91 yaşındayken Arlington County’de vefat etti. Oğlu Ira, ölüm sebebinin akciğer hastalığı olduğunu söyledi.

Dr. Bigeleisen izotop kimyasının kurucularından birisi olarak kabul edilir. Dr. Bigeleisen ve Maria Goeppert-Mayer, gaz reaksiyonlarında izotop davranışlarının hesaplanması için basit bir teori çalışmalarıyla kimya alanında 1974 Nobel Ödülü’nü almıştır.

Otto Redlich	1942–43**
Gilbert N. Lewis	1942–44
Maria Goeppert-Mayer	1947–48
Lewis Friedman	1949–53
Ralph E. Weston, Jr.	1952–63
Max Wolfsberg	1953–69
Eugene C. Kerr	1955
Fritz S. Klein	1959
Etienne Roth	1960–61
Slobodan V. Ribnikar	1961–77
W. Alexander Van Hook	1961–63
Marvin J. Stern	1963
Takanobu Ishida	1968–81
William Spindel	1968–71
James T. Phillips	1972
Carl U. Linderstrom-Lang	1972
Myung W. Lee	1974–82
Frederic Mandel	1973–75
Yumio Yato	1975–77
Masahiro Kotaka	1992
Anthony M. Popowicz	1991
Luis P. N. Rebelo	2002–03

**Bu tarihler ilk ve son basılan yayın yıllarını belirtir, tüm süre boyunca sürekli iş birliği ima edilmemektedir.

Seçilmiş Onurlar ve Ödüller

Member of the National Academy of Sciences (Ulusal Bilimler Akademisi Üyesi), 1966’da seçildi.

Senior NSF Postdoctoral Fellow (Kıdemli NSF Doktora Sonrası Araştırmacısı Üyesi) , Tech. Hochschule, Zürich, 1962–63.

Guggenheim Fellow (Guggenheim Üyesi), 1974–75.

1964. O. Lawrence Award and Presidential Citation (E. O. Lawrence Ödülü ve Başkanlık Atıfı), 1964.

Am. Chem. Soc. Nuclear Applications Award (Amerika Kimya Topluluğu Nükleer Uygulamalar Ödülü), 1958.

Inscribed at the Technion (İsrail Teknoloji Enstitüsüne kayıt edildi), Haifa, Israel.

Tracey Harris Professor (Tracey Harris Profesörlüğü), Rochester, 1973–78.

Leading Professor of Chemistry (Kimya Profesörü), SUNY-SB, 1978–89.

Distinguished Professor (ordinaryüs profesör), Emeritus, SUNY-SB, 1989–2010. 

Yayınlar

Jacob Bigeleisen, bilimsel literatürdeki 135 bildirinin yanı sıra 10 kitap ve bilim politikasının toplumsal etkileri ile ilgili altı makale yazmıştır. Seçilen bir liste aşağıda verilmektedir.

1942  With O. Redlich. Molal volumes of solutes VI. Potassium chlorate and hydrochloric   acid. J. Am. Chem. Soc. 64:758–760.

1943    With O. Redlich. The ionization of strong electrolytes. I. General remarks, nitric acid. J. Am. Chem. Soc. 65:1883–1887.

1943   With G. N. Lewis. The orientation of molecules produced photochemically in rigid solvents. J. Am. Chem. Soc. 65:520–526.

1943   With G. N. Lewis. Photochemical reactions of leuco dyes in rigid solvents. Quantum efficiency of photooxidation. J. Am. Chem. Soc. 65:2419–2423.

1944   With O. Redlich and E. K. Holt. The ionization of strong electrolytes. II. Ionization, Raman spectrum, and vibrations of perchloric acid. J. Am. Chem. Soc. 66:13–16.

1947   With M. Goeppert-Mayer. Calculation of equilibrium constants for isotopic exchange reactions. J. Chem. Phys. 15:261–267.

1948    With M. Goeppert-Mayer, P. C. Stevenson, and J. Turkevich. Vibrational spectrum and thermodynamic properties of uranium hexafluoride. J. Chem. Phys. 16:442–445.

1949    The relative reaction velocities of isotopic molecules. J. Chem. Phys. 17:675–678.

1949    With L. Friedman. ¹³C isotope effects in the decarboxylation of malonic acid. J. Chem. Phys. 17:998–999.

1950  With L. Friedman. The infrared spectra of ¹⁵N¹⁴N¹⁶O and ¹⁴N¹⁵N¹⁶O. Some thermodynamic properties of the N₂O molecules. J. Chem. Phys. 18:1656–1659.

1952    With R. E. Weston. Equilibrium in the exchange of hydrogen between phosphine and water. J. Chem. Phys. 20:1400–1402. Isotopes. Ann. Rev. Phys. Chem. 3:39–56.

1953    With M. Pearlman and N. Elliot. Equilibrium in the exchange of deuterium between ammonia and hydrogen. J. Chem. Phys. 21:70–72.

1955    Statistical mechanics of isotopic systems with small quantum corrections. I. General considerations and the rule of the geometric mean. J. Chem. Phys. 23:2264–2267.

1955     With E. C. Kerr. The vapor pressure of HT. J. Chem. Phys. 23:2442–2443. 1958.

1955      With M. Wolfsberg. Theoretical and experimental aspects of isotope effects in chemical kinetics. In Advances in chemical physics, Vol. 1, edited by I. Prigogine. pp. 15-76. New York: Interscience.

1955   The significance of the product and sum rules to isotope fractionation processes. In Proceedings of the international symposium on isotope separation, edited by J. Kistemaker, J. Bigeleisen, and A. O. C. Nier. pp. 121-157. Amsterdam: North Holland Press.

1959   With F. S. Klein, R. E. Weston, and M. Wolfsberg. Deuterium isotope effect in the reaction of hydrogen molecules with chlorine atoms and the potential energy of the H₂Cl transition state. J. Chem. Phys. 30:1340–1351.

1961    Statistical mechanics of isotope effects on the thermodynamic properties of condensed systems. J. Chem. Phys. 34:1485–1493.

1961    With E. Roth. Vapor pressures of the neon isotopes. J. Chem. Phys. 35:68–77. With S. V. Ribnikar. Structural effects in the vapor pressures of isotopic molecules. ¹⁸O and ¹⁵N substitution in N₂O. J. Chem. Phys. 35:1297–1305.

1963    With S. V. Ribnikar and W. A. Van Hook. Molecular geometry and the vapor pressures of isotopic molecules. The equivalent isomers cis, gem, and transdideuteroethylene. J. Chem. Phys. 38:489–496.

1963    With M. J. Stern and W. A. Van Hook. Molecular geometry and the vapor pressures of isotopic molecules. C₂H₃D and ¹²CH₂ =¹³CH₂ . J. Chem. Phys. 38:497–505.

1963    With E. C. Kerr. Vapor-liquid equilibria of dilute solutions of HT in e-H₂ and DT in e-D₂ from the triple points to the critical temperatures of the solutions. J. Chem. Phys. 39:763–768. Quantum effects in liquid hydrogen. J. Chem. Phys. 39:769–777.

1965    Chemistry of isotopes. Science 147:463–471.

1967     With C. B. Cragg and M. Jeevanandam. Vapor pressures of isotopic methanes. Evidence for hindered rotation. J. Chem. Phys. 47:4335–4346.

1968    With T. Ishida. Application of finite orthogonal polynomials to the thermal functions of harmonic oscillators. J. Chem. Phys. 48:1311–1330.

1970   With F. Menes and T. Dorfmuller. Molal volumes of the isotopic homologues of ethylene. J. Chem. Phys. 53:2869–2878.

1970    With M. W. Lee and S. Fuks. Vapor pressure of ³⁶Ar and ⁴⁰Ar. Intermolecular forces in solid and liquid argon. J. Chem. Phys. 53:4066–4075.

1972   With J. T. Phillips and C. U. Linderstrom-Lang. Liquid-vapor argon isotope fractionation from the triple point to the critical point. Mean Laplacian of the intermolecular potential in liquid argon. J. Chem. Phys. 56:5053–5062.

1972    With M. W. Lee and D. M. Eshlman. Vapor pressures of isotopic krypton mixtures. Intermolecular forces in liquid and solid krypton. J. Chem. Phys. 56:4585–4592.

1972   Report of the uranium isotope separation review ad hoc committee. Oak Ridge Operations Office, U. S. Atomic Energy Commission, Oak Ridge, TN. No. ORO-694.

1973    With M. W. Lee and F. Mandel. Equilibrium isotope effects. Ann. Rev. Phys. Chem. 24:407–440.

1975    With Z. Bilkadi and M. W. Lee. Phase equilibrium isotope effects in molecular solids and liquids. Vapor pressures of the isotopic carbon dioxide molecules. J. Chem. Phys. 62:2087–2093.

1975     With Y. Yato and M. W. Lee. Phase equilibrium isotope effects in molecular solids and liquids. Vapor pressures of the isotopic nitrous oxide molecules. J. Chem. Phys. 63:1555–1563.

1975    The proposed National Resource for Computation in Chemistry. A user-oriented facility. National Research Council. Washington DC: National Academies Press.

1977    With S. Fuks, S. V. Ribnikar, and Y. Yato. Vapor pressures of the isotopic ethylenes. V. Solid and liquid ethylene-d₁ , ethylene-d₂ (cis, trans, and gem), ethylene-d₃ , and ethylene-d₄ . J. Chem. Phys. 66:1689–1701.

1977    With M. W. Lee. Calculation of the mean force constants of the rare gases and the rectilinear law of mean force. J. Chem. Phys. 67:5634–5638.

1979       With M. W. Lee. Isotope chemistry and molecular structure. The WINIMAX weighting factor. J. Chem. Phys. 71:4661–4663.

1980   CO₂ and CFMs: Portents for the future. National Research Council. pp. 67-79. Washington DC: National Academies Press.

1981     With T. Ishida. Correlation of the isotope chemistry of hydrogen, carbon, and oxygen with molecular forces by the WIMPER(2) method. J. Chem. Phys. 74:1799–1816.

1983     With W. B. Hammond and S. Tuccio. Feed cycles for the industrial production of heavy water through multiphoton dissociation of fluoroform. Nuc. Sci. and Eng. 83:473–481.

1991    With A. M. Popowicz and T. H. Lu. Temperature dependence of the liquid vapor isotopic fractionation in CD₃H-CH₄ and CD₃ F-CH₃F mixtures. Zeitschrift fur Naturforschung 46A:60–68.

1992    History and theory of uranium isotope enrichment by chemical exchange. In Proceedings of the international symposium on isotope separation and chemical exchange uranium enrichment, edited by Y. Fujii, T. Ishida, and K. Takeuchi. Bull. Research Lab. for Nuclear Reactors. Tokyo Inst. Tech. Special Issue 1 (ISSN 0387-6144):3–17.

1996    Nuclear size and shape effects in chemical reactions. Isotope chemistry of the heavy elements.   J. Am. Chem. Soc. 118:3676–3680.

1996    Temperature dependence of the isotope chemistry of the heavy elements. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 93:9393–9396.

1998      Second-order correction to the Bigeleisen-Mayer equation due to the nuclear field shift. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 95:4808–4809.

2003      With J. N. C. Lopes, A. A. H. Padua, and L. P. N. Rebelo. Calculation of vapor pressure isotope effects in the rare gases and their mixtures using an integral equation theory. J. Chem. Phys. 118:5028–5037.

2006    Theoretical basis of isotope effects from an autobiographical perspective. In Isotope effects in chemistry and biology, edited by A. Kohen and H. H. Limbach. pp. 1-39. Boca Raton, FL: CRC Press—Taylor and Francis.