來源：【高維度穩定同位素】公眾號（ID：HDStableIsotope）1911至1914年，在同位素剛剛被發現的時候，高中畢業的Urey先是在Indiana的一所鄉村公立學校任教（圖1），然後又搬去Montana繼續教書。在一個mining camp任教的時候，Urey決定去University of Montana in Missoula讀大學。在那裡，他主修了動物學並輔修了化學。
圖1. Harold Clayton Urey和他任教的鄉村校舍 (Brickwedde, 1982)1917年4月，得知美國正式加入一戰消息的Urey在位於費城的Barrett化學公司謀得了一份戰時工作——製作TNT炸藥。這時，11歲的Maria G. Mayer正在德國Göttingen上中學。在Urey剛開始製作TNT炸藥的兩年後（1919年），Bigeleisen出生了。一戰結束後，Urey回到University of Montana，在那兒教了兩年化學。由於想要獲得教職，Urey在他28歲（1921年）的時候進入加州大學Berkeley分校攻讀博士學位，師從著名的理論化學家Gilbert Newton Lewis，主修熱力學。在Lewis的指導下，兩年後，Urey順利獲得博士學位。他的論文為氫原子能級中的電子分布以及氣態分子的熱力學計算（electron distribution in the energy levels of the hydrogen atom and thermodynamic calculations on gaseous molecules）。儘管當時沒有必要的分子特性參數，Urey依然建立了很好的近似方法。在American-Scandinavian Foundation的資助下，1923-1924年，Urey來到哥本哈根理論物理研究所（Institute for Theoretical Physics in Copenhagen），開始了與丹麥物理學家Niels Bohr的合作。在這裡，他結識了量子力學幾位的主要奠基人——Werner Heisenberg, Hans Kramers, Wolfgang Pauli, Georg von Hevesy和John Slater。在離開哥本哈根之前，Urey來到德國，結識了Albert Einestein和James Franck。1924年，Urey回到美國，獲得了Harvard大學和John Hopkins大學的任職邀請。他隨後決定去John Hopkins大學。赴任前Urey趕到Seattle看望自己的母親，機緣巧合下結識了自己後來的妻子Kate Daum，兩人在1926年結婚。在John Hopkins大學的兩年多時間裡，Urey開始強調量子力學對化學專業學生的重要性，並將他的研究轉向分子的光譜研究。他和Arthur Ruark合作出版了第一批介紹量子力學在研究原子和分子體系研究的英文教科書 (Atoms, Quanta and Molecules, 1930)。在1929年，Urey成為了Columbia大學化學系的副教授，主要研究分子和原子的性質（the properties of molecules and atoms）。這段時期，同位素研究者熱衷於尋找尚未發現的同位素。而Urey是其中的一個重要參與者。根據Ferdinand G.Brickwedde的回憶，1929年Urey在華盛頓參加的一次科學會議時，在計程車上問Joel Hildebrand：Berkeley的研究有什麼新發現？Hildebrand回答道：William Giauque和Herrick Johnston剛發現了17O和18O，其中18O的豐度更高。然後Hildebrand補充道：「They could not have found isotopes in a more important element.」Urey回復道：「No, not unless it was hydrogen.」 (Brickwedde, 1982)。Urey當時致力於氫同位素的發現。在Columbia大學的辦公室牆上有一張他參與構建的同位素的圖表（圖2）。其中預測了2H, 3H和5He的存在。
圖2. 質子數-核電子的對應關係。實心圓表示1931年之前已知的從1H到30Si的同位素。空心圓圈表示1931年之前未知的同位素。(Brickwedde, 1982，張一寧轉繪)1931年7月1日，《Physical Review》上刊登了加州大學伯克利分校的物理學教授Raymond T. Birge和裡克天文臺的天體物理學教授Donald H.Menzel給編輯的信(Birge and Menzel, 1931)。他們談到：通過化學實驗測量的氫原子質量為1.00777±0.00002。卡文迪許實驗室的Francis W. Aston通過質譜測定的氫原子質量為1.00778±0.00015。這兩個方法獲得的原子質量在誤差範圍內幾乎重合，因此，氫原子應該是高濃度的1H和低濃度的重氫的混合物。他們認為2H，即「重氫」（Urey後來將命名為deuterium，氘）的自然豐度應該是1H：2H=4,500：1。看完這封信的一到兩天後，Urey設計了一個尋找氘的實驗（見《水電解實驗: 氘同位素的富集》）。在獲得了預期會富集氘的氫氣樣本後，他檢測到了一個光譜。該光譜與他根據玻爾原子模型對氘的預測相符。1932年元旦，Urey與同事George Murphy，聯合當時在華盛頓國家標準局低溫實驗室工作的Brickwedde撰寫的發現重氫 (D) 的論文正式在Physical Review上發表(Urey et al., 1932, 圖3）。同年，Urey創立了The Journal of Chemical Physics (JCP) 雜誌並出任首任主編。隔年，Urey和他在Columbia大學的另一位同事David Rittenberg在他自己剛剛創刊不久JCP雜誌第一期第137頁上，刊登了歷史上第一篇基於量子力學和統計力學，採用分子光譜數據結合配分函數計算的H-D同位素交換反應的平衡常數工作 (Urey and Rittenberg, 1933, Urey Model的首次亮相)。1934年，Urey因重氫的發現而獲得了美國化學會芝加哥分會的Willard Gibbs獎章以及諾貝爾獎。1934年12月10日，時任美國駐瑞典大使Laurence Steinhardt代表Urey從瑞典國王Gustuf V手中接過了當年諾貝爾化學獎的證書。不過令人意外地是，41歲的Urey缺席了此次頒獎典禮，他的理由是：我要回家等待女兒Mary Alice的出生。圖4. 1934年諾貝爾獎頒獎典禮：美國駐瑞典大使Steihardt(左一) 代表Urey從瑞典國王Gustuf V (左二) 手中接過獲獎證書與此同時，美國正值「大蕭條」時期。同時由於性別歧視，沒有大學願意僱傭一個女性，即使她是一位博士，同時也是一位教授的妻子。因此，Maria G. Mayer在1930年獲得University of Göttingen理論物理博士學位後，隨著丈夫Joseph E. Mayer來到John Hopkins大學，做了9年的助理（年薪200美金，Johnson, 1986）。不過她並沒有放棄自己對物理的熱愛。
原創：何雨暘，張一寧
出品：高維度穩定同位素
編輯：何雨暘
監製：鮑惠銘
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References：
Birge, R.T. and Menzel, D.H. (1931) The Relative Abundance of the Oxygen Isotopes, and the Basis of the Atomic Weight System. Physical Review 37, 1669-1671.
Brickwedde, F.G.(1982) Harold Urey and the discovery of deuterium. Physics Today 35, 34-39.
Johnson, K.E. (1986) Maria Goeppert Mayer: atoms, molecules and nuclear shells. Physics Today 39, 44.
Urey, H.C., Brickwedde, F.G. and Murphy, G.M. (1932) A hydrogen isotope of mass 2. Physical Review 39, 164.Urey, H.C. and Rittenberg, D. (1933) Some Thermodynamic Properties of the H1H2, H2H2 Molecules and Compounds Containing the H2 Atom.The Journal of Chemical Physics 1,137-143.本文來源於【高維度穩定同位素】公眾號（HDStableIsotope）轉載請註明公眾號出處歡迎分享到朋友圈
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