哈罗德·克莱顿·尤里

成功的发现

1931年，物理学家伯奇和天体物理学家门泽尔根据他们的实验结果，首先提出了“氢除含有原子量大约为1的一些原子外，还含有原子量大约为2的一些原子，后者的尝试约为1/4500”的假说。当时在美国哥伦比亚大学工作的尤里教授对这一假说非常感兴趣。因为他对这个问题已经思考过很长时间了，他认为，如果让液态氢在低温下蒸发，很可能使原子量为2的氢得到富集。1931年秋天，尤里得到几立方毫米液氢。通过光谱分析，发现了一些新的谱线，它的位置正好与预期原子量为2的氢谱线一致，从而发现了重氢。根据尤里的建议，重氢被命名为DEUTERUM(中文译为氘)，在希腊语中是“第二”的意思。但是，正当尤里因发现了氘而获得诺贝尔化学奖的时候，英国杰出的实验物理学家和化学家阿斯顿发表文章指出，伯奇和门泽尔的测量是有错误的，阿斯顿用质谱法测得的氢原子量是1．00881，代替了原来的1．0078。这就等于宣告伯奇和门泽尔原来对氢原子量的争论和作出的判断是不正确的。那么，尤里是怎样看待这件事呢?在获得诺贝尔奖时，尤里的一段话正好表明他的态度：“当我的讲演稿已经写好以后，阿斯顿用新的测量证明，伯奇和门泽尔在1931年的预言是错误的。但我不想因此而修改我的讲演稿了。因为，伯奇和门泽尔的预言是在发现前就作出的。因此这个预言十分重要，没有这个预言，我就不会去寻氘了。”

刻苦求学之路

哈罗德·克莱顿·尤里出生于美国印第安纳州的沃克顿，在他6岁的时候，在乡间当牧师的父亲去世了。后来，母亲改嫁，继父也是一位牧师，他帮助尤里完成了幼年的教育，1911年，他中学毕业，没有足够的学费，无法继续上大学，只好自己想办法。碰巧，乡下的一所学校缺少一名教师，尤里觉得去当一名教师既可以解决目前的生活问题又可以解决目前的生活问题又可以筹集上大学的费用。于是他成了乡村学校的教师，一干就是3年。1914年，尤里进了蒙大拿大学，开始他的专业是动物学，后来改读化学。上大学之后，困扰尤里的仍然是经济问题，为此，尤里的确伤透了脑筋。为了节约开支，他没有租公寓住，而是在学校的一处空地上自己搭了一个帐篷，在里面学习、生活。他还尽可能的利用假期到外面去做工以解决学费不足。尤里毕业的时候，正值第一次世界大战期间，他先在费城一家化工厂找到了工作，当化学分析员。工作两年后，他又回到母校当起化学讲师。1921年，他进入加利福尼亚大学攻读博士学位，他的指导教师是路易斯。路易斯曾预方自然界存在着原子量是普通氢原子量两倍的氢的同位素，这一观点明显地影响了尤里，对他发现重氢起着推动作用。他的博士论文就是研究双原子气体性质的。他以优异的成绩取得了博士学位。1923年他得到美国——斯堪的那维亚基金学会奖学金的资助。得到了奖学金后，从1921年到1923年在美国加州大学进修。成绩优异，三十岁时，取得了博士学位。1923年他又得了出国进修的奖学金，去丹麦跟波尔教授专门研究原子结构理论。尤里回国以后，先在约翰·霍普金斯大学担任讲师。1929年到哥伦比亚大学担任化学系副教授，他在这里和别人合作，写了一本专著，书名是《原子、分子和量子（Atoms、MoleculesandQuanta)。这是用英文写的关于量子力学的名著之一。这说明了尤里对于量子力学和热力学，以及核结构的成就，本来早已经达到相当高的水平了。在这期间，他用光谱法发现了惊人的氢同位素之一，氘。尤里从此以后，成为同位素化学方面公认的权威。经过他的研究，使同位素的分离开始有了化学方法。由于这种方法的成功，很多同位素才成为化学的、生物学的、地质学等方面的示踪物。在二次世界大战时，他利用同位素化学的丰富知识对最后战胜日本起了重大的作用。过去同位素的分离，只是在极小的范围内，用实验室的规模进行的。第二次世界大战期间，尤里领导了一批助手，使重水分离和铀同位素的大规模分离，得以实现，这一技术方面的成功，便第一批原子弹的生产，成为可能。

发现氢同位素

同位素这个名词的西文isotope是英国人索迪于1911年开始使用的。后来，另一位英国人阿斯顿（F.W.Aston，1877—1945），在1919年制成了质谱仪，可以用来分离不同质量的粒子，并且测定它们的质量。这就把研究同位素的方法提高了一大步。阿斯顿先后利用质谱仪发现了很多元素的同位素，他在71种元素之中，陆续找到了202种同位素之多，这为我们认识同位素，开始积累了大量资料。最引人关注的是，氢有没有同位素的问题。为了寻找氢的同位素，人们前后用了十几年的时间，而没有得出肯定的结果。1931年初，有人从理论上推导，认为应该有质量数为2的氢同位素存在，并且估算出2H:1H=1:4500的比例。1931年年底，美国哥伦比亚大学的尤里教授和他的助手们，把四升液态氢在三相点14°K下缓慢蒸发，最后只剩下几立方毫米液氢，然后用光谱分析。结果在氢原子光谱的谱线中，得到一些新谱线，它们的位置正好与预期的质量为2的氢谱线一致，从而发现了重氢。尤里对它定了一个专门名，称deuterium，中文译氘，符号D。后来英、美的科学家们又发现了质量为3的tritium，中文译为氚，符号T,是具有放射性的另一重要氢同位素。1931年，物理学家伯奇和天体物理学家门泽尔提出了有关氢同位素的假说。尤里知道这件事的第二天就开始设计寻找氢同位素的实验，他设计了用分馏的方法来发地找重氢。这一年秋日的某一天，美国标准计量局的布里克维吉把蒸发了大量液态氢之后剩下的最后几滴氢装在容器里，送给尤里做实验。尤里通过光谱分析，终于分辩出两种不同的氢来。大约5千个氢原子中有一个重氢。普通氢原子含有一个质子和一个电子，原子量为1。重氢则多了一个中子，原子量为2。如果重氢与氧原子结合，就生成重水。它比普通水重10%左右，比重是1：108，最大密度温度是11.22℃。重水在许多性质上与一般水不同。重水的冰点是3.8℃，沸点是101.42℃。一些动物，如蝌蚪不能在重水中生存。一些植物种子浇了重水之后也不能生长发芽。但重水在原子核反应堆里能降低中子速度，又几乎不吸收中子，因而在原子核反应堆里是最好的中子减速剂。世界上最早的纯重水是尤里的教师路易斯在实验室中制得的。1934年，在尤里发现氘之后的第3年，他被授予诺贝尔化学奖。这一年他仅41岁。一个发现在短短的3年内就为科学所接受并授予诺贝尔奖，这种情况在历史上是不多见的。

反法西斯战斗

第二次世界大战期间，尤里参加了美国政府研制原子弹的“曼哈顿计划”。尤里利用他掌握的同位素化学方面丰富的知识，对于生产第一颗原子弹起了很大作用。制造原子弹必须把铀235和铀238分离开来。尤里负责研究分离方法。他的办法是，首先使铀变成铀的氯化物，使它以气态存在。然后使这些气体通过钻有许多细孔的板，当它们通过细孔时，较轻的铀235分子扩散的速度要比较重的铀238销快一些。这样一来，在通过多孔板之后，气体中铀235的含量就会提高，连续通过约5000道多孔板，铀235的含量就达到所需要的标准了。第一颗原子弹就是用这种方法分离出来的铀制成的。尤里当初是怀着对德意日法西斯强烈的愤恨参加到“曼哈顿计划”中。他和其他科学家一道努力制造出了原子弹。但是原子弹的巨大破坏力给和平的居民带来了可怕的灾难。因此，尤里坚决反对使用原子武器。特别是他一生最后十多年里，通过公开讲演和发表文章呼吁禁止核武器，他在临终之前还一再强调，原子能只能用于和平目的。战后，尤里相当一部分精力从事宇宙化学方面的研究。他研究了地球、陨石、太阳及其他恒星的元素丰度及同位素丰度。1953年他与学生米勒设讦了一套仪器，模拟原始地球大气的成分和条件，在甲烷、氨、氢和水蒸气混合物中，连续进行了一星期的火花放电后，形成了十多种氨基酸。这说明在原始大气中产生蛋白质是可能的。这为生命起源的研究提供了一个方向。1981年1月6日，87岁高龄的尤里病故。

学术成果

他发表了一篇极重要的论文，这篇论文的题目是《同位素物质的热力学性质》。此后，尤里利用了高度精确的质谱仪，来检验地质和海洋中的氧同位素的百分比。由于这项技术的成功，他能相当准确地计算出七千万年前海洋的温度。他在1952年发表了宇宙间元素丰度的数据，发展了元素起源和宇宙学理论。地的专著行星：其起源和发展》(ThePlanets：TheirOriginandDevelopment）一书中，从化学过程来讨论太阳系演化的学说，指出行星是由围绕在原始太阳周围的尘埃聚集成的。地球的原始大气应当和现在的木星大气相似，主要由甲烷、氨和氢所组成。地球现在的大气是经几个长期阶段的变化形成的。1953年尤里和学生米勒（StanleyL.Miller）设计了一套仪器，模拟原始地球大气的成份和条件，在甲烷、氨、氢和水蒸气混合物中，连续进行了一星期的火花放电后，形成了十多种氨基酸。这说明了原始大气产生蛋白质的可能。这为研究生命起源问题开展了重要途径。1968年他六十五岁时，被加州大学聘为海洋研究所的高级研究员，他又提出了太阳系由陨石形成的理论，并认为在别的行星上也可能产生生命。尤里还是研究月球表面的专家。阿波罗登月取回月岩的样品，就是由尤里主持参加研究的。在海盗号火箭探索火星计划中，尤里又担任重要顾问。尤里在四十一岁时荣获诺贝尔化学奖外，他还先后得到各国政府、学术团体和科学组织授予的三十多种奖章和奖品，美国一些大学授给他十六个荣誉博士学位，其他国家的大学也曾授予他九个荣誉学位。这说明了世界上学术界对他的科学成就之重视。在尤里一生的最后十年中，他把很我精力放在反对原子武器的破坏作用上。他早就认为美国不可能独占核武器，他主张美国和苏联都应当减少原子武器，使世界长期和平可能达到。他在临终之前，还一再强调，原子能只能用于和平目的。他多年来所做的大量公开讲演讲和文字呼吁，曾经得到美国好此知识分子的同情，尽管有人不同意尤里的一些观点,但没有人怀疑，他的主张是真诚的和发自内心的。