Harold Urey před 85 lety objevil deuterium

Dvacáté století se nazývá stoletím fyziky. Došlo v něm ke grandióznímu rozvoji nejrůznějších technických oborů, tradičních přírodních věd i věd nově vznikajících. Mezi fyzikálními objevy, díky nimž dnešní generace získala své technické vybavení pro cestu atomovým věkem, patří také odhalení existence těžkého vodíku, spjaté se jménem amerického fyzikálního chemika Harolda Ureye. V letošním roce uplynulo již 35 let od jeho úmrtí a 85 let od objevu deuteria.

Harold Clayton Urey se narodil 29. dubna 1893 ve Walkertonu v Indianě jako syn evangelického duchovního. Po maturitě v roce 1911 studoval na univerzitě v Montaně, kde v roce 1917 získal akademický titul ze zoologie.

Dráha vědce a pedagoga

Během první světové války byl dva roky výzkumným pracovníkem v chemické továrně Barett ve Philadelphii. Záhy však zjistil, že jej práce v průmyslovém podniku neuspokojuje a nastoupil na celoživotní vědeckou dráhu – vrátil se jako asistent na Montanskou univerzitu. Po vypracování doktorské disertační práce, věnované problému entropie dvouatomových plynů, odešel v roce 1921 studovat termodynamiku u profesora Gilberta Lewise na státní Kalifornskou univerzitu v Berkeley (College of Chemistry),kde získal v roce 1923 doktorát (Ph. D.). Téhož roku se stal členem Americko-skandinávské nadace a rok pracoval na výzkumu modelu atomu v dánské Kodani u čerstvého nositele Nobelovy ceny za fyziku (1922) a univerzitního profesora Nielse Bohra (1885-1962). Ten se stal v roce 1920 ředitelem nově založeného výzkumného ústavu pro kvantovou teorii, na kterém studovaly největší hvězdy teoretické fyziky, jako Heisenberg, Dirac, Meitnerová, Born, Jordan a další.

Nobelova cena za objev těžkého vodíku

Po návratu do USA učil Urey chemii na prestižní soukromé univerzitě Johnse Hopkinse v Baltimore a od roku 1928 na Columbijské univerzitě v New Yorku, kde byl roku 1934 jmenován řádným profesorem chemie. V tomto roce také dostal za objev těžkého vodíku Nobelovu cenu za chemii.

V letech druhé světové války patřil k šesti tisícům badatelů, kteří se zapojili do projektu Manhattan na vývoji štěpné jaderné bomby přímo ve středisku Las Alamos nebo v mnoha dalších výzkumných institucích. Urey vedl laboratoř Strategic Alloy Metals Laboratory při Columbijské univerzitě, kam v roce 1941 nastoupila německá fyzička Marie Göppert-Mayerová (1906-1972), jejíž jméno je v historii fyziky spojeno s pojmem slupkového modelu jádra. Vedle Marie Curie-Sklodowské to byla druhá žena vyznamenaná Nobelovou cenou (v roce 1963 za fyziku). Po válce již s úsměvem vyprávěla, jak ji zklamalo, když jí Urey uložil práci na úkolu, který s vývojem atomové bomby souvisel jen velmi okrajově (spíše vůbec ne), a jehož řešení se v praxi nikdy neuplatnilo. Tehdy totiž měli spojenci velké obavy z experimentů (také s těžkou vodou), které se s cílem vyvinout atomovou bombu jako první – i když neúspěšně – prováděly v hitlerovském Německu.

Po válce přešel Urey na Institute for Nuclear Studies (1945-1952) a od roku 1952 na univerzitu v Chicagu. V letech 1956-1957 hostoval na univerzitě v Oxfordu a po návratu odešel na Kalifornskou univerzitu v San Diegu (1958-1981). Zemřel 5. ledna 1981 v La Jolly uprostřed rozdělané práce ve věku 88 let. Kromě Nobelovy ceny získal další ocenění, mimo jiné Národní vyznamenání za vědu v roce 1964 a Gold Medal of the Royal Astronomical Society v roce 1966.

Objev deuteria frakční destilací tekutého vodíku

Středem pozornosti Ureyovy vědecké práce byla oblast fyzikální chemie se zaměřením na problematiku kinetiky chemických reakcí, absorpčních spekter a Ramanovu spektroskopii. K jeho nejvýznamnějším a nejznámějším objevům však beze sporu patří odhalení existence těžkého vodíku neboli deuteria, které se mu podařilo v prosinci roku 1931 frakční destilací tekutého vodíku. Nově objevenému prvku dal jméno podle řeckých a latinských slov pro číslo dvě.

Destilace pěti litrů na jeden mililitr

Výskyt prvku deuterium předpověděl již roku 1926 Walter Russel, jenž využil mezer ve své spirálové periodické tabulce, aby identifikoval neobjevené prvky. Později předpokládal jeho existenci Werner Heisenberg (1901-1975), když společně s Wolfgangem Pauli vytvářeli základy kvantové teorie pole. Urey a jeho spolupracovník Ferdinand Brickwedde využili nízkoteplotní fyzikální laboratoř ve Washingtonu k destilaci pěti litrů kryogenně připravené vodíkové kapaliny na množství jednoho mililitru. To koncentrovalo deuterium, těžký izotop vodíku k bodu, kde se stalo jasně identifikovatelným spektroskopickou analýzou. Těžký vodík má v jádru jeden proton a jeden neutron (neutrální částici objevenou o rok později Jamesem Chadwickem). Náboj jádra deuteronu je stejný jako obyčejného vodíku, ale jeho atomová hmotnost je dvojnásobná.

Výskyt deuteria v přírodě

Deuterium zůstávalo dlouho nepovšimnuto, protože tvoří nepatrnou část přírodního vodíku (pouze jeden atom deuteria na každých 6 500 atomů obyčejného vodíku). Vyskytuje se tedy ve velice zředěném stavu, avšak ve velkých množstvích. Udává se, že jen ve světových oceánech je obsaženo 2,6 ^. 10²³ tun deuteria. Hodně se ho vyskytuje na planetě Jupiteru, kde tvoří 0,6 % všech atomů. Ve spolupráci s americkým vědcem Washburnem vypracoval Urey energeticky náročnou elektrolytickou metodu průmyslové výroby těžkého vodíku.

Od objevu deuteria zná věda i tzv. těžké vody (HDO a D₂O), v jejichž molekulách jsou jeden nebo dva atomy obyčejného vodíku nahrazeny atomem vodíku těžkého. První vzorek těžké vody připravil při separaci izotopů fyzikální chemik Gilbert Lewis (byl 35 krát navržený na udělení Nobelovy ceny, ale nikdy ji nezískal) v roce 1933. Tato látka se uplatnila v jaderné energetice a technice, zejména jako moderátor u reaktorů používaných k výrobě elektřiny v komerčním měřítku. Identifikace deuteria přinesla také důležitou informaci o kosmu. Hvězdná fúze spaluje deuterium na těžší prvky. Jediný přírodní proces, jenž mohl uvedený prvek vytvořit, je Velký třesk; existence deuteria je jedním z argumentů ve prospěch této teorie oproti teorii klidového stavu vesmíru.

Zájem o vznik života na Zemi

V padesátých letech minulého století se doktor Urey po neblahých zkušenostech se zneužíváním vědeckých poznatků k atomovému zbrojení „rozpomněl“ na svoje původní přírodovědecké vzdělání a obrátil pozornost k otázkám vzniku života na Zemi. Podílel se na vytvoření nového oboru kosmochemie, studoval rozložení chemických prvků na Zemi a ve vesmíru. V roce 1951 předložil hypotézu zrodu života v raném stavu Země z vody a ze základních složek ovzduší– metanu, čpavku a vodíku – za zvýšené teploty a působení elektrických výbojů.

V roce 1953 společně se svým studentem Stanley l. Millerem (1930-2007) navodili v laboratoři podmínky, které byly na Zemi zhruba před čtyřmi miliardami let (prebiotickou chemickou revoluci v mořích a poté v sedimentech). Experimentálně zjistili, že ze směsi jednoduchých molekul těchto plynů a vody se po jednom týdnu 10-15 % uhlíku přeměnilo v organické sloučeniny, ze dvou procent pak vzniklo všech 20 běžných aminokyselin, „stavebních kamenů života“ (organických kyselin, obsahujících jednu nebo dvě aminoskupiny -NH₂, součásti bílkovin a peptidů). Potvrdili tak první fázi – přeměnu anorganických látek na jednoduché organické sloučeniny – teorie o vzniku života na Zemi procesem chemické evoluce, tzv. hypotézu koacervátů. Tuto hypotézu předložil v roce 1953 sovětský biolog a biochemik A. I. Oparin (1894-1980). První umělý virus (poliovirus způsobující dětskou obrnu) však vyrobil až v roce 2002 E. Wimmer v SUNY Stony Brook. Živou buňku vědci nevytvořili dodnes.

Urey vyvinul rovněž metodu měření teploty v pravěkých mořích podle poměrného zastoupení izotopů kyslíku O¹⁶ a O¹⁸ ve vápenci vyloučeném z těchto moří. V 60. letech minulého století doslova přemluvil našeho vynikajícího astronoma světového renomé profesora Zdeňka Kopala (1914-1993), který tehdy vedl katedru astronomie na univerzitě v britském Manchesteru (dříve profesora numerické analýzy na Massachusettském technologickém institutu současně přednášejícího na Harvardu), aby se pustil do mapování Měsíce. Ten v letech 1960 až 1967 pořídil s několika desítkami spolupracovníků na 60 000 záběrů povrchu Měsíce. Ty byly skutečně použity při výběru místa k přistání lunárního modulu. Sám Urey se otázkami vzniku Měsíce zabýval dlouhodobě.

Jaderný fyzik se zastal Milady Horákové

Profesor Harold Urey nezapomenutelně vstoupil také do československé historie. Když byla během politických procesů v 50. letech minulého století odsouzena ve věku 48 let k trestu smrti oběšením JUDr. Milada Horáková, protestovalo proti této justiční vraždě mnoho významných světových osobností (A. Einstein, W. Churchill, E. Rooseveltová). Udělit pro odsouzenou milost nebo zmírnit trest žádal v osobním dopise tehdejšímu prezidentu republiky Klementu Gottvaldovi také Harold Clayton Urey. Jako všichni ostatní neuspěl!

Zdroje

Bober, J.: Laureáti Nobelovy ceny. Obzor, Bratislava 1971.

Brož, I.: Slasti a strasti. Příběhy ze života nositelů Nobelovy ceny a jejího zakladatele. Olympia, Praha 2010.

Castleden, R.: Objevy, které změnily svět. Jota, Brno 2009.

Harford, T.: Adaptujte se. Dokořán, Praha 2013.

Kraus, I.: Století fyzikálních objevů. Academia, Praha 2014.

Oparin, A., I.: O původu života. Vědecké vydavatelství, Praha 1951.

Pacner, K.: Géniové XX. století. Motto, Praha 2015.

Paturi, R. F.: Kronika techniky. Fortuna Print. Praha 1993.

Rétey, A.: Energie bez konce. Dialog, Liberec 2014.

Sodomka, L., Sodomková, M., Sodomková, M.: Kronika Nobelových cen. Euromedia Group. Praha 2004.

Štoll, I.: Dějiny fyziky. Prometheus, Praha 2009.

Tůma, M.: Mírové využívání jaderné energie, nešíření jaderných zbraní a jaderné odzbrojení. Ústav mezinárodních vztahů, Praha 2009.