Isotopia
La teoria atomica di John Dalton del 1803 aveva unito l’idea antica dell’atomo con il concetto di Antoine Lavoisier di elemento chimico: ogni elemento corrispondeva a un diverso tipo di atomo, e atomi diversi avevano pesi atomici differenti. Più di un secolo dopo Dalton, divenne evidente che un particolare elemento poteva presentare atomi con proprietà chimiche simili ma pesi atomici diversi, cioè era costituito da isotopi diversi. Il nuovo campo della chimica nucleare riguardava l’identificazione e la separazione degli isotopi; pochi anni più tardi, gli scienziati di Berkeley sarebbero stati i primi a trasformare l’isotopo di un elemento nell’isotopo di un elemento del tutto nuovo. Un moderno dizionario (qui il Treccani) potrebbe spiegare il concetto in questo modo: “iṡòtopo s. m. [dall’ingl. isotope (comp. di iso- e gr. τόπος «luogo»)]: In chimica fisica, nome con cui vengono indicati atomi appartenenti allo stesso elemento, con uguale numero di protoni e uguali proprietà chimiche ma che, possedendo un diverso numero di neutroni, hanno differente peso atomico, cioè massa diversa, e sono quindi fisicamente diversi tra loro”. Questa spiegazione sembra incomprensibile se vista dagli anni ‘20 del Novecento: il nome “isotopo” fu proposto da Frederick Soddy nel 1913, ma il neutrone non fu scoperto che nel 1932 da James Chadwick. Soddy definì i diversi isotopi semplicemente come atomi che presentano pesi atomici diversi ma sono identici chimicamente.
Molti elementi si presentano in più forme isotopiche. Dei 92 elementi naturalmente presenti sulla Terra, solo 21 sono monotopici. Il resto è composto da più isotopi, molti dei quali sono stabili o decadono in tempi così straordinariamente lunghi da poter essere considerati effettivamente stabili per applicazioni appropriate. Ad esempio, il cloro che si trova in natura, che ha un peso atomico misurato di circa 35,5, è una miscela di due isotopi, 35Cl con peso atomico 35 e 37Cl con peso atomico 37, in un rapporto rispettivamente di circa 3 a 1. Per altri elementi, come ad esempio l’idrogeno, il cui isotopo più abbondante 1H costituisce quasi tutta la sostanza presente in natura (99,98%), era difficile determinare persino se esistessero altri isotopi. Le differenze chimiche tra gli isotopi dello stesso elemento sono solitamente piccole, perché il numero di protoni è chimicamente molto più importante di quello dei neutroni. Per il cloro, ad esempio, l’aumento relativo del peso atomico da 35Cl a 37Cl è solo di circa il 5%, e le conseguenze chimiche di tale piccola differenza sono solitamente insignificanti. Ma, per l’idrogeno, la differenza tra il peso atomico dell’isotopo più abbondante, con peso atomico 1, e quello di un (allora ipotetico) isotopo con peso atomico 2 sarebbe del 100% e ci si aspettava che l’effetto chimico sarebbe stato significativo. Per l’idrogeno, scoprire un nuovo isotopo sarebbe stato quasi come scoprire un nuovo elemento. Soddy, infatti, non pensava che l’isotopo più pesante dell’idrogeno si adattasse alla sua definizione di isotopo. Dopo la scoperta del neutrone, gli isotopi furono definiti come specie atomiche aventi lo stesso numero di protoni nei loro nuclei ma diverso numero di neutroni. Ma Soddy si atteneva all'inseparabilità chimica come criterio per gli isotopi e quindi rifiutò di riconoscere il deuterio come isotopo dell'idrogeno. Per Soddy, il deuterio era una specie di idrogeno, con diverso peso atomico, ma non un isotopo dell'idrogeno.
Ci furono diverse congetture sull’esistenza di un isotopo più pesante dell’idrogeno a partire dal 1928. Si dice che il grande chimico termodinamico Gilbert N. Lewis fosse interessato all’esistenza di un tale possibile isotopo già alla fine degli anni ‘20. Durante una conferenza a Berkeley, Raymond Birge, presidente del dipartimento di fisica, fece cenno al fatto che stava ottenendo valori contraddittori per il peso atomico dell’idrogeno a seconda della sua origine. Disse che l’idrogeno preparato dall’acqua in una cella elettrolitica che era stata usata nel dipartimento di fisica per anni sembrava più pesante che l’idrogeno di altre fonti. Lewis si chiese se potesse esistere un isotopo pesante dell’idrogeno che era stato concentrato nel tempo dai ripetuti processi di distillazione. Chiese a Simon Freed, che all’epoca era un docente a Berkeley, di confrontare la densità dell’acqua della distilleria di Birge con quella di normale acqua distillata. Quando Freed chiese a Lewis con quale accuratezza dovesse misurare la densità, Lewis rispose: “Oh, quattro decimali dovrebbero bastare”. Non era per nulla abbastanza. Se Freed avesse proseguito fino a cinque decimali, avrebbe potuto trovare la prova dell’esistenza dell’idrogeno pesante.
Ferdinand G. Brickwedde, uno dei collaboratori di Urey nella scoperta dell’idrogeno pesante, descrisse con questo aneddoto l’interesse di quegli anni per gli isotopi dell’idrogeno:
"Ricordo una conversazione nel 1929 con Urey e Joel Hildebrand, uno stimato professore di chimica a Berkeley, durante una corsa in taxi tra il loro hotel e il centro conferenze per un incontro scientifico a cui stavamo partecipando a Washington. Quando Urey chiese a Hildebrand cosa ci fosse di nuovo nella ricerca a Berkeley, Hildebrand rispose che William Giauque e Herrick Johnston avevano appena scoperto che l'ossigeno ha isotopi con peso atomico 17 e 18 [oltre all’isotopo più comune con peso atomico 16], e che l'isotopo di peso 18 era più abbondante. Il loro articolo sarebbe apparso a breve sul Journal of the American Chemical Society. Poi Hildebrand aggiunse: "Non avrebbero potuto trovare isotopi in un elemento più importante". Urey rispose: "No, a meno che non sia l’idrogeno".”
La scoperta del deuterio da parte di Urey è una storia dell'uso fruttuoso dei primi modelli nucleari e termodinamici. Ma è anche una storia di opportunità perse ed errori, alcuni particolarmente interessanti per il ruolo cruciale e positivo che hanno avuto nella scoperta. Uno sguardo alla natura del lavoro teorico e sperimentale che ha portato alla scoperta dell'idrogeno di massa 2 rivela molto sul modo in cui la fisica e la chimica venivano fatte quasi un secolo fa.
Urey
Era il giorno del Ringraziamento del 1931 quando Harold Clayton Urey (1893-1981) trovò la prova definitiva di un isotopo pesante dell'idrogeno. Egli arrivò tardi a pranzo, dove lo attendevano la moglie e alcuni ospiti. Si scusò dicendo “Bene, Frieda, ce l’abbiamo fatta”.
Urey era nato in una fattoria dell'Indiana nel 1893 e durante l'infanzia si trasferì con la sua famiglia in una fattoria nel Montana. Dopo essersi diplomato al liceo, insegnò per tre anni nelle scuole pubbliche; poi entrò alla Montana State University per studiare zoologia e chimica. Aveva pochi soldi, e durante l'anno accademico dormiva e studiava in una tenda. In estate lavorava per posare binari ferroviari nel nord-ovest. Urey si laureò nel 1917: c'era bisogno di chimici nello sforzo bellico e subito trovò lavoro a Filadelfia in una fabbrica di esplosivi. Dopo la guerra, insegnò chimica per due anni alla Montana State University e nel 1921 entrò all'Università della California a Berkeley come studente di dottorato in chimica, lavorando sotto la guida di Gilbert N. Lewis. Già da studente, Urey era un pioniere nel calcolo delle proprietà termodinamiche ricavate dai dati spettroscopici. Conseguì il dottorato di ricerca nel 1923 e trascorse l'anno accademico successivo all’'Istituto di Fisica di Niels Bohr a Copenaghen. Dopo Copenaghen, Urey entrò a far parte della Johns Hopkins University. Mentre era alla Hopkins, fu coautore con Arthur E. Ruark del classico Atoms, Molecules and Quanta, che fu il primo libro di testo completo sulla struttura atomica scritto in inglese.
Il lavoro di Urey collegava chimica e fisica. Nel 1929 fu nominato professore associato di chimica alla Columbia University e dal 1933 al 1940 fu il fondatore e redattore del Journal of Chemical Physics, pubblicazione dell'American Institute of Physics. Nel 1934, solo tre anni dopo la scoperta del deuterio, Urey ricevette il premio Nobel per la chimica.
Nel 1913, Arthur B. Lamb e Richard Edwin Lee, lavorando alla New York University, avevano pubblicato una misurazione molto precisa della densità dell'acqua pura. Le loro misurazioni erano sensibili a 2 x 10-7 g/cm3. Vari campioni di acqua, che erano stati accuratamente preparati utilizzando le migliori tecniche di purificazione e controlli di temperatura, variavano in densità fino a 8 x 10-7 g/cm3. I due conclusero che l'acqua pura non possiede una densità unica. Oggi sappiamo che l'acqua varia nella composizione isotopica e che campioni di acqua con composizioni isotopiche diverse hanno pressioni di vapore diverse, rendendo la distillazione un processo di frazionamento. L'indagine Lamb-Lee è interessante perché fu il primo studio riportato in cui una differenza isotopica nelle proprietà era chiaramente evidente. L'esistenza degli isotopi fu proposta indipendentemente da Frederick Soddy, in Inghilterra, e da Kasimir Fajans, in Germania, nel 1913: meno di due decenni dopo, al momento della scoperta del deuterio, gli isotopi erano un attivo campo di ricerca, che avviò il rapido sviluppo della fisica nucleare. Si cercavano risposte a domande sull’esistenza degli isotopi e cosa determinasse il loro numero, le loro abbondanze relative e masse.
Urey, insieme ad altri, costruì grafici degli isotopi conosciuti per mostrare le relazioni che influiscono sulla loro esistenza. In figura c’è uno dei grafici di Urey. All'epoca, il neutrone non era stato scoperto: lo sarebbe stato l'anno dopo il deuterio. Il grafico si basava sulla teoria che i nuclei atomici fossero composti da protoni, tracciati qui in ordinate, ed elettroni nucleari, tracciati in ascisse: il numero di protoni era il numero di massa nucleare e il numero di elettroni nucleari era il numero di protoni meno il numero atomico dell'elemento. Nel diagramma di Urey, i cerchi pieni rappresentano i nuclei da 1H a 30Si che erano noti prima del 1931. I cerchi aperti rappresentano nuclei sconosciuti prima del 1931. Lo schema di linee sfalsate del grafico, quando esteso fino a 1H, suggeriva a Urey che gli atomi 2H, 3H e 5He potevano esistere perché erano necessari per completare la struttura.
Urey aveva appeso una copia di questo grafico a una parete del suo laboratorio. L'isotopo elio-5 non esiste e la linea sfalsata non fornisce un posto per l'isotopo elio-3, che è stato scoperto in seguito. Il diagramma ora è solo di interesse storico, ma è stato un incentivo per Urey a cercare un isotopo pesante dell'idrogeno.
Esperimenti e calcoli
Nel 1931, l'anno della scoperta del deuterio, Raymond T. Birge, professore di fisica a Berkeley, e Donald H. Menzel, professore di astrofisica al Lick Observatory, pubblicarono una lettera all'editore di Physical Review. sulle abbondanze relative degli isotopi dell'ossigeno in relazione ai due sistemi di pesi atomici allora in uso: il sistema fisico e il sistema chimico. I pesi atomici nel sistema fisico erano determinati con lo spettrografo di massa e erano basati imponendo il peso atomico dell'isotopo 16O esattamente a 16. Nel sistema chimico, i pesi atomici erano determinati con tecniche di massa e i valori erano basati imponendo a 16 il peso atomico della miscela naturale degli isotopi di ossigeno, 16O, 17O e 18O. Quindi i pesi atomici di un singolo isotopo o elemento sulle due scale dovevano differire, dovendo essere maggiori con il sistema fisico.
Tuttavia, nel 1931, i pesi atomici dell'idrogeno sulle due scale erano gli stessi all'interno degli errori sperimentali dichiarati. Il valore chimico era 1,00777 + 0,00002. Il valore spettrografico di massa, determinato da Francis William Aston del Cavendish Laboratory a Cambridge (Nobel per la chimica nel 1922 per i suoi lavori in spettrografia), era di 1,00778 + 0,00015. Birge e Menzel sottolinearono che la quasi coincidenza di questi due pesi atomici portava alla conclusione che l'idrogeno normale è una miscela di isotopi: 1H ad alta concentrazione e un isotopo pesante a bassa concentrazione. Il peso atomico non era più alto sulla scala fisica perché le tecniche di spettroscopia di massa individuavano solo l'isotopo leggero. All'isotopo pesante diedero il simbolo 2H, forse per la prima volta in letteratura. Supponendo che il peso atomico dell'idrogeno pesante fosse 2, Birge e Menzel calcolarono la sua abbondanza relativa dalla presunta equivalenza dei pesi atomici dell'idrogeno sulla scala fisica e la normale miscela di isotopi dell'idrogeno sulla scala chimica. Ottennero 1/4500 per l'abbondanza di 2H rispetto a 1H.
Un paio di giorni dopo aver ricevuto il numero del 1° luglio 1931 della Physical Review, Urey propose e pianificò un'indagine per determinare se un isotopo pesante dell'idrogeno esisteva davvero. Urey e George Murphy, lavorando alla Columbia University, identificarono l'idrogeno e il suo isotopo spettroscopicamente, usando le linee della serie Balmer, che descrivono le righe dello spettro dell'atomo di idrogeno. La serie di Balmer è caratterizzata dalle transizioni elettroniche da n ≥ 3 a n = 2. Questi passaggi sono indicati ciascuno da una lettera greca: la transizione 3→2 è associata alla lettera α, la 4→2 alla β e così via. Poiché storicamente queste righe sono state le prime ad essere identificate, il loro nome è formato dalla lettera H, il simbolo dell'idrogeno, seguita dalla lettera greca associata alla transizione.
Lo spettro atomico era ottenuto con una lampada di Wood a scarica elettrica fatta funzionare nel cosiddetto stadio nero, la configurazione di corrente e pressione che eccita maggiormente lo spettro atomico dell'idrogeno rispetto al suo spettro molecolare. Le lunghezze d'onda del vuoto delle righe dell’idrogeno pesante furono calcolate utilizzando la formula della serie di Balmer:
dove R è la costante di Rydberg per l’idrogeno, uguale a 1,097 x 107 m-1; p = 2 e n = 3, 4, 5, ...
Urey decise di non precipitarsi alla stampa per rivendicare la priorità in questa scoperta; pensò fosse meglio rimandare la pubblicazione fino a quando non avesse avuto prove conclusive che le "nuove" righe spettrali attribuite all'isotopo pesante fossero autentiche e non impurità o righe fantasma. Questa sicurezza poteva essere ottenuta aumentando la concentrazione di 2H nell'idrogeno che riempiva la lampada di Wood, cercando un aumento di intensità delle linee di Balmer di 2H rispetto a quelle dell'idrogeno leggero.
Attraverso calcoli di meccanica statistica e basandosi sulla teoria di Peter Debye dei solidi (l'equivalente nello stato solido della legge di Planck sulla radiazione di corpo nero), Urey pensò che la distillazione dell’idrogeno liquido avrebbe arricchito la concentrazione dell’isotopo pesante. Egli si aspettava che l’idrogeno normale sarebbe evaporato più rapidamente, lasciando un eccesso dell’isotopo pesante nella fase liquida. Ma per ottenere una piccola quantità di idrogeno pesante liquido, calcolò che avrebbe dovuto partire con una quantità di idrogeno liquido di almeno 5-6 litri, che doveva evaporare più del 99,9% per dare almeno 2 cm3 da analizzare.
Urey contattò Brickwedde presso il National Bureau of Standards di Washington, invitandolo a unirsi alla ricerca. All'epoca, nel 1931, c'erano solo due laboratori negli Stati Uniti in cui l'idrogeno liquido era disponibile in quantità di 5 o 6 litri. Uno era il National Bureau of Standards e l'altro era il laboratorio di William Francis Giauque all'Università della California a Berkeley. Distillando idrogeno liquido, Brickwedde preparò i campioni in cui poter identificare l'isotopo pesante. Il primo dei campioni inaspettatamente non ne mostrava una concentrazione più elevata. Si rifecero le distillazioni, e questa volta i campioni mostrarono aumenti di 6 o 7 volte nelle intensità delle linee di Balmer del deuterio. Su questa base, si sarebbe potuto concludere che le righe nel normale spettro dell'idrogeno attribuite all’idrogeno pesante erano davvero righe di 2H, ma la prova conclusiva fu la scoperta che l'immagine fotografica della linea di Balmer 2H-α, quella più intensa, era un doppietto parzialmente diviso, come previsto dalla teoria per lo spettro della serie di Balmer. La presenza di picchi satellite indica infatti la presenza di isotopi minoritari dei vari elementi.
I due fisici della Columbia cercarono anche l’isotopo H-3 (trizio), ma senza esito. Sebbene “nessuna prova per H3 è stata finora trovata, (...) si può tuttavia ancora pensare che questa specie nucleare esista”. Questo isotopo radioattivo con due neutroni e massa 3 sarebbe stato prodotto nel 1934 da Rutherford.
Dalle misurazioni delle intensità relative delle linee della serie di Balmer, Urey stimò che c'era un atomo pesante per 4500 atomi leggeri nell'idrogeno normale. Misure successive mostrarono che il valore era più vicino a 1/7000 (oggi si indica 1/6420).
In seguito, fu chiaro perché il primo idrogeno distillato inviato a Urey non mostrava l'aumento previsto della concentrazione di 2H, e forse persino una piccola diminuzione. La spiegazione arrivò con la scoperta del metodo elettrolitico per separare 1H e 2H, suggerito da Edward W. Washburn, capo chimico del National Bureau of Standards, e verificato sperimentalmente da Washburn e Urey subito dopo la pubblicazione dell’articolo dell'aprile 1932.
Quando Urey considerò metodi diversi per concentrare 2H, incluse il metodo elettrolitico e ne discusse con Victor LaMer, un collega della Columbia e un'autorità mondiale in elettrochimica, che però lo dissuase, pensando che le differenze nelle concentrazioni di equilibrio degli isotopi agli elettrodi di una cella a temperatura ambiente erano molto piccole e quindi un frazionamento degli isotopi sarebbe stato trascurabile.
Washburn vedeva la situazione in modo diverso. Indicò la grande differenza relativa nei pesi atomici degli isotopi dell'idrogeno, molto più grande per gli isotopi dell'idrogeno che per gli isotopi di qualsiasi altro elemento. Quindi, pensava Washburn, gli isotopi dell'idrogeno potevano comportarsi in modo diverso da quelli degli altri elementi.
Washburn aveva ragione: gli isotopi dell'idrogeno vengono separati con relativa facilità mediante elettrolisi, ma ciò fu compreso solo dopo la scoperta dell’isotopo pesante.
L'idrogeno che era stato liquefatto e distillato per Urey era generato elettroliticamente. Prima di preparare il primo campione per Urey, il generatore elettrolitico fu completamente smontato, pulito e riempito con una soluzione di idrossido di sodio appena preparata. Poiché 2H si concentra nell'elettrolita nel generatore, il primo idrogeno gassoso ad essere scaricato ne era carente. La sua concentrazione nell'idrogeno sviluppato era circa un sesto di quella nell'elettrolita, e quindi circa un sesto della concentrazione normale nell'idrogeno. Man mano che l’elettrolisi progrediva veniva aggiunta acqua per sostituire quella consumata. La concentrazione di normale nell'elettrolita aumentava fino al punto in cui la velocità con cui 2H lasciava il generatore bilanciava la velocità con cui era arrivato nell'acqua aggiunta. Quindi, dopo che il generatore elettrolitico era stato in uso per un po' di tempo, c'era un equilibrio dinamico; perciò l'idrogeno preparato dal generatore per il secondo e terzo campione per Urey aveva approssimativamente la normale concentrazione di 2H.
Urey diede il nome di “deuterio” (D) all’isotopo di massa 2. Non si usava dare il nome agli isotopi, ma l’isotopo pesante dell’idrogeno, che ci aspettava fosse abbastanza diverso chimicamente dall’idrogeno leggero a causa della sua massa doppia, sarebbe stato un’eccezione (per fortuna non fu chiamato deuzio, in analogia con pròzio e trizio!).
Dopo la scoperta del deuterio, Urey affrontò un problema molto pratico nel comunicarlo, caratteristico dello stato della ricerca prima della Seconda guerra mondiale. La ricerca di Urey alla Columbia, e quella al National Bureau of Standards furono condotte senza il sostegno di alcun sussidio governativo per la ricerca. Si diceva che le ricerche in quel periodo si facessero con spago e ceralacca; fu infatti compiuta per lo più con apparecchi fatti in casa. La politica del governo degli Stati Uniti di sovvenzioni a sostegno della ricerca risale a un'epoca successiva, dopo la Seconda Guerra mondiale.
Prima della guerra era un problema reperire fondi per le trasferte alle riunioni scientifiche. Fu solo a fatica che Brickwedde e Urey riuscirono a raccogliere i fondi necessari per recarsi alla riunione dell'American Physical Society del dicembre 1931 alla Tulane University, dove avevano in programma di presentare il documento che riportava la scoperta del deuterio. Nei mesi successivi pubblicarono maggiori dettagli in una lettera all'editore e un articolo completo sulla Physical Review.
Errori fortunati
Quattro anni dopo la scoperta del deuterio, Francis Aston riportò un errore nel suo precedente valore spettrografico di massa di 1,00778 per il peso atomico di 1H sulla scala fisica, il valore usato da Birge e Menzel nel loro articolo del 1931. Il valore rivisto sulla scala fisica era 1,00813, che corrisponde a 1,0078 sulla scala chimica, in accordo con il valore allora attuale per il peso atomico dell'idrogeno (1,00777) sulla scala chimica. Non c'era quindi bisogno o posto per un isotopo pesante dell'idrogeno. La conclusione di Birge e Menzel era pertanto sbagliata. In effetti, sulla base del valore rivisto di Aston, Birge e Menzel sarebbero stati obbligati a concludere che, semmai, esisteva un isotopo dell'idrogeno più leggero, non più pesante.
La previsione di Birge e Menzel di un isotopo pesante dell'idrogeno si basava su due valori errati per il peso atomico dell'idrogeno, vale a dire il valore spettrografico di massa di Aston e il valore chimico, che avrebbe dovuto essere anche maggiore. L'errore sperimentale nella determinazione dei pesi atomici superava la differenza dei pesi atomici sulle due scale.
Urey non ne era a conoscenza quando progettava il suo esperimento. Non lo fu fino al 1935, quando il suo discorso di accettazione del premio Nobel fu la prova che Aston aveva pubblicato il suo valore rivisto. Urey aggiunse quanto segue alla sua lectio di ricevimento del Nobel:
“Addendum - Da quando è stata scritta [questa lezione Nobel], Aston ha rivisto il suo peso atomico spettrografico di massa dell'idrogeno da 1,0078 a 1,0081. Con questa massa per l'idrogeno, l'argomento di Birge e Menzel non è valido. Tuttavia, preferisco lasciare che l'argomento di questo paragrafo resti, anche se ora sembra errato, perché questa previsione è stata importante nella scoperta del deuterio. Senza di esso è probabile che non lo avremmo ricercato e la scoperta del deuterio potrebbe essere stata ritardata di molto tempo”.
Questo fatto, un’importante scoperta basata su dati non corretti, è più comune di quanto si è soliti pensare: Gilbert Lewis fece notare una volta che Dalton aveva basato la sua teoria atomica del 1803 sulla proporzione definita tra gli elementi, e che i dati sperimentali che lo avevano convinto della natura generale della legge riguardavano gli ossidi di azoto. Ebbene, alcuni dei suoi esperimenti su questi composti erano completamente sbagliati e indicavano una forte predisposizione verso la conclusione che poi raggiunse. Adesso parleremmo di bias cognitivo.
Inutile dire che Urey e i suoi colleghi erano molto contenti che fosse stato commesso un errore di questo tipo. Aston disse che non sapeva quale fosse la morale di tutto questo. Difficilmente consigliava alle persone di sbagliare intenzionalmente, e pensava che, forse, l'unica cosa da fare era continuare a lavorare.
Dopo la scoperta
I premi Nobel per la fisica e la chimica vengono assegnati per il lavoro, sperimentale o teorico, che ha apportato un cambiamento significativo nel lavoro in corso e nel pensiero scientifico. L'annuncio che Urey era stato scelto come vincitore del 1934 in chimica arrivò meno di tre anni dopo la scoperta del deuterio. Questo premio insolitamente precoce seguiva una spettacolare corsa nella ricerca relativa al deuterio. Nel primo biennio successivo alla scoperta, furono pubblicati più di cento articoli di ricerca relativi al deuterio e ai suoi composti chimici, compresa l'acqua pesante. E ce ne furono più di cento in più nell'anno successivo, il 1934.
L'uso del deuterio come tracciante ha permesso di seguire il corso delle reazioni chimiche che coinvolgono l'idrogeno. Ciò è stato particolarmente fruttuoso nelle indagini su processi fisiologici complessi e nella chimica medica.
Inoltre, la scoperta dell'idrogeno pesante ha fornito un nuovo proiettile, il deuterone, o deutone (nucleo del deuterio), per esperimenti di bombardamento nucleare. Il deuterone si è dimostrato notevolmente efficiente nel disintegrare un certo numero di nuclei leggeri in modi nuovi. Poiché il deuterone, con un protone e un neutrone, è il nucleo più semplice, gli studi della sua struttura e della sua interazione protone-neutrone hanno assunto un'importanza fondamentale per la fisica nucleare.
Dopo la scoperta del deuterio, Urey presiedette la Federazione universitaria per la democrazia e la libertà intellettuale. Sostenne la causa repubblicana durante la guerra civile spagnola, fu uno dei primi oppositori del nazismo tedesco e aiutò gli scienziati rifugiati, incluso Enrico Fermi, aiutandoli a trovare lavoro negli Stati Uniti e a adattarsi alla vita in un nuovo paese.
Quando scoppiò la Seconda guerra mondiale in Europa nel 1939, Urey era riconosciuto come un esperto mondiale di separazione degli isotopi. Fino ad allora la separazione aveva coinvolto solo gli elementi leggeri. Nel 1939 e nel 1940, Urey pubblicò due articoli sulla separazione degli isotopi più pesanti. Urey coordinò tutti la ricerca americana sulla separazione degli isotopi, compreso lo sforzo per produrre acqua pesante, che poteva utilizzata come moderatore di neutroni nei reattori nucleari.
Nel maggio 1941, Urey fu nominato membro del Committee on Uranium, che sovrintendeva al progetto sull'uranio come parte del Comitato di Ricerca della Difesa Nazionale (NDRC). Lo stesso anno guidò una missione diplomatica in Inghilterra per stabilire una cooperazione per lo sviluppo della bomba atomica. Nel maggio 1943, mentre il Progetto Manhattan prendeva slancio, divenne capo dei Substitute Alloy Materials Laboratories (SAM Laboratories) alla Columbia, responsabili dello studio e produzione dell'acqua pesante e di quasi tutti i processi di arricchimento degli isotopi.
Dopo la guerra, Urey non continuò le sue ricerche prebelliche sugli isotopi. Tuttavia, applicando le conoscenze acquisite con l'idrogeno e l'ossigeno, aprì la strada alla ricerca paleoclimatica. In seguito, Urey contribuì a sviluppare il campo della cosmochimica e a lui si deve il conio del termine. Il suo lavoro sull'ossigeno-18 lo portò a sviluppare teorie sull'abbondanza degli elementi chimici sulla Terra e sulla loro abbondanza ed evoluzione nelle stelle. Urey ipotizzò che l'atmosfera terrestre primitiva fosse composta da ammoniaca, metano e idrogeno. Uno dei suoi studenti laureati a Chicago, Stanley L. Miller, mostrò nell'esperimento Miller-Urey (1952) che, se una tale miscela viene esposta a scintille elettriche e all'acqua, può interagire per produrre amminoacidi, comunemente considerati i mattoni della vita.
Nel 1958 raggiunse l'età pensionabile all'Università di Chicago, ma accettò un posto di professore presso la nuova Università della California a San Diego (UCSD) e si trasferì a La Jolla. Successivamente fu nominato professore emerito dal 1970 al 1981.
Alla fine degli anni '50 e all'inizio degli anni '60, la scienza spaziale divenne un argomento di ricerca sulla scia del lancio dello Sputnik. Urey contribuì a persuadere la NASA a rendere prioritarie le sonde senza equipaggio da inviare sulla Luna. Quando l’Apollo 11 restituì campioni di roccia lunare, Urey li esaminò: essi supportavano la sua tesi secondo cui la Luna e la Terra hanno un'origine comune. Mentre era alla UCSD, Urey pubblicò 105 articoli scientifici, 47 dei quali su argomenti lunari. Morì a La Jolla il 5 gennaio 1981.
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