Harold Urey

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Harold Clayton Urey (29 de abril de 1893 – 5 de enero de 1981) fue un físicoquímico 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 la materia no viva.

Primeros años

Harold Clayton Urey nació el 29 de abril de 1893 en Walkerton, Indiana, hijo de Samuel Clayton Urey, maestro de escuela y ministro de la Iglesia de los Hermanos, y de su esposa, Cora Rebecca de soltera Reinoehl. Tenía un hermano menor, Clarence, y una hermana menor, Martha. La familia se trasladó 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 iba a morir, la familia volvió a Indiana a vivir con la madre viuda de Cora. Samuel murió cuando Harold tenía seis años.

Urey se educó en una escuela primaria amish, de la que se graduó a los 14 años, y luego asistió a la escuela secundaria en Kendallville, Indiana. Tras graduarse en 1911, obtuvo un certificado de maestro en el Earlham College, y enseñó en una pequeña escuela de Indiana. Más tarde se trasladó a Montana, donde vivía entonces su madre, y continuó enseñando allí.

Educación superior y carrera académica de Urey

Urey ingresó en la Universidad de Montana, en Missoula, en el otoño de 1914. A diferencia de las universidades del Este de la época, la Universidad de Montana era mixta, tanto en lo que respecta a los estudiantes como a los profesores. Urey obtuvo allí la licenciatura en zoología en 1917.

Como resultado de la entrada de Estados Unidos en la Primera Guerra Mundial ese mismo año, hubo una fuerte presión para apoyar el esfuerzo bélico. Harold Urey se había 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 de Filadelfia, fabricando TNT, en lugar de alistarse en el ejército como soldado. Después de la guerra, volvió a la Universidad de Montana como profesor de química.


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 bajo la dirección de Gilbert N. Lewis. Su intento inicial de tesis fue sobre la ionización del vapor de cesio. Tuvo dificultades, y Meghnad Saha publicó un trabajo mejor sobre el mismo tema.

Harold Urey
Harold Urey

Urey escribió entonces su tesis sobre los estados de ionización de un gas ideal, que se publicó posteriormente en el Astrophysical Journal. Tras obtener su doctorado en 1923, Urey recibió una beca de la Fundación Americana-Escandinava para estudiar en el Instituto Niels Bohr de Copenhague, donde conoció a Werner Heisenberg, Hans Kramers, Wolfgang Pauli, Georg von Hevesy y John Slater. Al final de su estancia, viajó a Alemania, donde conoció a Albert Einstein y James Franck.

Al regresar a Estados Unidos, Urey recibió una oferta de 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. Se decantó por 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. La Dra. Daum presentó a Urey a su hermana, Frieda. Urey y Frieda pronto se comprometieron. Se casaron en la casa de su padre en Lawrence, Kansas, en 1926. 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.

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 los sistemas atómicos y moleculares. En 1929, Urey se convirtió en profesor asociado de Química en la Universidad de Columbia, donde entre sus colegas estaban Rudolph Schoenheimer, David Rittenberg y T. I. Taylor.

Deuterio

En la década de 1920, William Giauque y Herrick L. Johnston descubrieron los isótopos estables del oxígeno. Los isótopos no se conocían bien en aquella época; James Chadwick no descubriría el neutrón hasta 1932. Se utilizaban dos sistemas para clasificarlos, basados en las propiedades químicas y físicas. Estas últimas se determinaban mediante 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 formularon 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 sólo un átomo de hidrógeno de cada 4.500 era del isótopo pesado.

En 1931, Harold Urey se propuso encontrarlo. Urey y George Murphy calcularon, a partir de la serie de Balmer, que el isótopo pesado debía tener las líneas desplazadas hacia el azul (correspondientemente el isótopo ligero desplazado hacia el rojo) entre 1,1 y 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 Balmer. Con una resolución de 1 Å por milímetro, el aparato debería haber producido una diferencia de aproximadamente 1 milímetro. Sin embargo, como sólo un átomo de cada 4.500 era pesado, la línea del espectrógrafo era muy tenue. Por ello, Urey decidió retrasar la publicación de sus resultados hasta que tuviera pruebas más concluyentes de que se trataba de hidrógeno pesado.


Destilando agua pesada

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 podrían destilar 5 litros de hidrógeno líquido en 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 Estándares en Washington, D.C., donde obtuvieron la ayuda de Ferdinand Brickwedde, a quien Urey había conocido en el Johns Hopkins.

Harold Urey en su escritorio, finales de los años 40
Harold Urey en su escritorio, finales de los años 40

La primera muestra que Brickwedde envió se evaporó a 20 K (-253,2 °C; -423,7 °F) a una presión de 1 atmósfera estándar (100 kPa). Para su sorpresa, esto no mostró ninguna evidencia de enriquecimiento. Brickwedde preparó entonces 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 eran siete veces más intensas.

El artículo que anunciaba el descubrimiento del hidrógeno pesado, más tarde llamado deuterio, fue publicado conjuntamente por Urey, Murphy y Brickwedde en 1932. Urey fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 1934 «por su descubrimiento del hidrógeno pesado». Declinó asistir a la ceremonia en Estocolmo, para poder estar presente en el nacimiento de su hija Mary Alice.


Trabajando con Edward W. Washburn de la Oficina de Estándares, Urey descubrió posteriormente la razón de la muestra anómala. El hidrógeno de Brickwedde había sido separado del agua por electrólisis, lo que dio como resultado una muestra agotada. Además, Francis William Aston informó ahora 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.

Urey y Washburn intentaron utilizar la electrólisis para crear agua pesada pura. Su técnica era sólida, pero en 1933 fueron derrotados por Lewis, que disponía de los recursos de la Universidad de California. Utilizando la aproximación Born-Oppenheimer, Urey y David Rittenberg calcularon las propiedades de los gases que contienen hidrógeno y deuterio.

Lo extendieron a los compuestos de enriquecimiento de carbono, nitrógeno y oxígeno. Estos compuestos podían utilizarse como trazadores en bioquímica, lo que dio lugar a una forma totalmente nueva de examinar las reacciones químicas. Fundó el Journal of Chemical Physics en 1932 y fue su primer editor, cargo que ocupó hasta 1940.


Miembros del Comité del Uranio S-1; Harold Urey está en el extremo izquierdo. Otros miembros son Ernest O. Lawrence, James B. Conant, Lyman J. Briggs, E. V. Murphree y A. H. Compton, 1942
Miembros del Comité del Uranio S-1; Harold Urey está en el extremo izquierdo. Otros miembros son Ernest O. Lawrence, James B. Conant, Lyman J. Briggs, E. V. Murphree y A. H. Compton, 1942

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 al nazismo alemán y asistió a científicos refugiados, como Enrico Fermi, ayudándoles a encontrar trabajo en Estados Unidos y a adaptarse a la vida en un nuevo país.

Urey y el proyecto Manhattan

Cuando la Segunda Guerra Mundial estalló en Europa en 1939, Urey era reconocido como un experto mundial en la separación de isótopos. Hasta entonces, la separación sólo se había referido a los elementos ligeros. En 1939 y 1940, Urey publicó dos artículos sobre la separación de isótopos más pesados en los que proponía la separación centrífuga. Esto cobró gran importancia debido a la especulación de Niels Bohr de que el uranio 235 era fisible.

Como se consideraba «muy dudoso que se pueda establecer una reacción en cadena sin separar el 235 del resto del uranio«, Urey comenzó a estudiar intensamente cómo se podría lograr el enriquecimiento del uranio. Aparte de la separación centrífuga, George Kistiakowsky sugirió que la difusión gaseosa podría ser un método posible. Una tercera posibilidad era la difusión térmica. Urey coordinó todos los esfuerzos de investigación sobre la separación de isótopos, incluido el esfuerzo para producir agua pesada, que podría utilizarse como moderador de neutrones en los reactores nucleares.


Primeros pasos hacia la era nuclear

En mayo de 1941, Harold Urey fue nombrado miembro del Comité sobre el Uranio, que supervisaba el proyecto del uranio como parte del Comité de Investigación de Defensa Nacional (NDRC). En 1941, Urey y George B. Pegram dirigieron una misión diplomática a Inglaterra para establecer una cooperación en el desarrollo de la bomba atómica.

Los británicos eran optimistas respecto a la difusión gaseosa, pero estaba claro que tanto los métodos gaseosos como los centrífugos se enfrentaban a formidables obstáculos técnicos. En mayo de 1943, a medida que el Proyecto Manhattan cobraba impulso. Urey se convirtió en jefe de los Laboratorios de Materiales de Aleación Sustitutiva (Laboratorios SAM) en Columbia, que eran responsables del agua pesada y de todos los procesos de enriquecimiento de isótopos excepto el proceso electromagnético de Ernest Lawrence.

Los primeros informes sobre el método centrífugo indicaban que no era tan eficiente como se preveía. 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. Las centrifugadoras a contracorriente se desarrollaron después de la guerra, y hoy en día son el método preferido en muchos países.


El proceso de difusión

El proceso de difusión gaseosa seguía siendo más alentador, aunque también tenía que superar obstáculos técnicos. A finales de 1943, Urey tenía más de 700 personas trabajando para él en la difusión gaseosa.

El proceso implicaba cientos de cascadas, en las que el hexafluoruro de uranio corrosivo se difundía a través de barreras gaseosas, enriqueciéndose progresivamente en cada etapa (Un problema importante era encontrar juntas adecuadas para las bombas, pero la mayor dificultad residía en la construcción de una barrera de difusión adecuada). La construcción de la enorme planta de difusión gaseosa K-25 estaba muy avanzada antes de que se dispusiera de una barrera adecuada en cantidad en 1944. Como alternativa, Urey abogó por la difusión térmica.

Agotado por el esfuerzo, Urey abandonó el proyecto en febrero de 1945, cediendo sus responsabilidades a R. H. Crist. La planta K-25 comenzó a funcionar en marzo de 1945, y a medida que se resolvían los fallos, la planta funcionaba con una eficiencia y economía notables.


Durante un tiempo, el uranio se introdujo en la planta de difusión térmica líquida S50, luego en la gaseosa K-25 y, por último, en la planta de separación electromagnética Y-12; pero poco después de terminar la guerra se cerraron las plantas de separación térmica y electromagnética, y la separación fue realizada únicamente por K-25. Junto con su gemela, la K-27, construida en 1946, se convirtió en la principal planta de separación de isótopos a principios de la posguerra. Por su trabajo en el Proyecto Manhattan, Urey recibió la Medalla al Mérito de manos del director del Proyecto, el General de División Leslie R. Groves, Jr.

Años de posguerra

Después de la guerra, Urey se convirtió en profesor de química en el Instituto de Estudios Nucleares, y luego se convirtió en profesor de química en la Universidad de Chicago en 1952. No continuó su investigación de antes de la guerra con los isótopos. Sin embargo, aplicando los conocimientos adquiridos con el hidrógeno al oxígeno, se dio cuenta de que el fraccionamiento entre el carbonato y el 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 utilizarse para determinar las temperaturas medias, suponiendo que el equipo de medición fuera lo suficientemente sensible. El equipo incluía a su colega Ralph Buchsbaum. El examen de un belemnita de 100 millones de años indicó entonces las temperaturas de verano e invierno que había vivido durante un periodo 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.

Harold Urey hizo una campaña activa contra el proyecto de ley May-Johnson de 1946 porque temía que condujera al control militar de la energía nuclear, pero apoyó y luchó por el proyecto de ley McMahon que lo sustituyó, y finalmente creó la Comisión de Energía Atómica.

El compromiso de Harold Urey con el ideal de un gobierno mundial se remonta a antes de la guerra, pero la posibilidad de una guerra nuclear lo hizo más urgente en su mente. Dio conferencias contra la guerra y participó en los debates del Congreso sobre cuestiones nucleares. Defendió públicamente a Ethel y Julius Rosenberg y fue convocado por el Comité de Actividades Antiamericanas de la Cámara de Representantes.

Cosmoquímica y el experimento de Miller-Urey

Más adelante, Urey ayudó a desarrollar el campo de la cosmoquímica y se le atribuye la acuñación del término. Su trabajo sobre el oxígeno-18 le llevó a elaborar 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 The Planets: Their Origin and Development (1952).

Artículo completo de dos páginas en Science, "A production of amino acids under possible primitive earth conditions", por Stanley Miller, 1953 (Linda Hall Library)
Artículo completo de dos páginas en Science, «A production of amino acids under possible primitive earth conditions», por Stanley Miller, 1953 (Linda Hall Library)

Urey especuló que la atmósfera terrestre primitiva estaba compuesta de amoníaco, metano e hidrógeno. Uno de sus estudiantes de posgrado en 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.

Diagrama del experimento Miller-Urey
Diagrama del experimento Miller-Urey

Urey pasó un año en el Reino Unido como profesor visitante en la Universidad de Oxford en 1956 y 1957. En 1958, alcanzó la edad de jubilación de la Universidad de Chicago, 65 años, pero aceptó un puesto de profesor general en la nueva Universidad de California, San Diego (UCSD), y se trasladó a La Jolla, California. Posteriormente fue nombrado profesor emérito de 1970 a 1981. Fue uno de los miembros fundadores de la Facultad de Química de la UCSD, creada en 1960, junto con Stanley Miller, Hans Suess y Jim Arnold.

A finales de la década de 1950 y principios de la de 1960, la ciencia espacial se convirtió en un tema de investigación a raíz del lanzamiento del Sputnik I. Urey ayudó a persuadir a la NASA para que hiciera de las sondas no tripuladas a la Luna una prioridad. Cuando el Apolo 11 devolvió muestras de rocas lunares, Urey las examinó en el Laboratorio de Recepción Lunar. Las muestras apoyaron la tesis de Urey de que la Luna y la Tierra tenían un origen común. Mientras estuvo en la UCSD, Urey publicó 105 artículos científicos, 47 de ellos sobre temas lunares. Cuando le preguntaron por qué seguía trabajando tan duro, bromeó: «Bueno, ya sabes que ya no estoy de titular».

Harold C. Urey, Cesare Emiliani y G.J. Wasserburg en el laboratorio de Urey, en el Instituto de Estudios Nucleares (actual Instituto Fermi). Foto tomada en 1953, archivos de la Universidad de Chicago.
Harold C. Urey, Cesare Emiliani y G.J. Wasserburg en el laboratorio de Urey, en el Instituto de Estudios Nucleares (actual Instituto Fermi). Foto tomada en 1953, archivos de la Universidad de Chicago.

Muerte y legado

A Urey le gustaba la jardinería y la cría de cattleya, cymbidium y otras orquídeas. Murió en La Jolla, California, y está enterrado en el cementerio de Fairfield, en el condado de DeKalb, Indiana.

Además del Premio Nobel, recibió la Medalla Franklin en 1943, la Medalla J. Lawrence Smith en 1962, la Medalla de Oro de la Real Sociedad Astronómica en 1966, el Premio Golden Plate de la Academia Americana de Logros en 1966, y la Medalla Priestley de la Sociedad Química Americana en 1973.

Sello postal en honor a Harold Urey, descubridor del deuterio. Rumania, 1999
Sello postal en honor a Harold Urey, descubridor del deuterio. Rumania, 1999

En 1964 recibió la Medalla Nacional de la Ciencia. Se convirtió en miembro de la Royal Society en 1947[58]. El cráter de impacto lunar Urey, el asteroide 4716 Urey, y el Premio H. C. Urey, concedido por la Sociedad Astronómica Americana por sus logros en ciencias planetarias, llevan su nombre.

Urey Middle School en Walkerton, Indiana, también lleva su nombre, así como el Urey Hall, el edificio de química del Revelle College de la UCSD, en La Jolla y el Harold C. Urey Lecture Hall de la Universidad de Montana. La UCSD también ha creado una cátedra Harold C. Urey cuyo primer titular es James Arnold.

La hija de Urey, Elizabeth Baranger, también se convirtió en una notable física.

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