Судьба научной школы Николая Николаевича Семёнова

Наука и жизньНаука

Цепная реакция, или ветви одного открытия

Кандидат физико-математических наук Василий Птушенко

Фото Василия Птушенко

Сфера научных знаний о мире на протяжении веков непрерывно расширялась, и появление учёных-энциклопедистов неизбежно становилось всё более и более проблематичным. А каким образом происходит это расширение? Как появляются новые области науки, новые направления исследований? Вариантов может быть много. Попробуем проследить судьбу одной научной школы и одного научного института — точнее, целого семейства институтов, созданных этой школой.

Речь о научной школе Николая Николаевича Семёнова — российского физикохимика (или, как о нём отчасти в шутку говорили, — физика, ставшего химиком), открывшего в 1926—1927 годах разветвлённые цепные химические реакции. На первый взгляд, это — частное открытие в одной довольно узкой области, которая сейчас называется «химическая кинетика». Однако на него, как на стержень, оказалась нанизанной вся последующая история больших и малых открытий школы Семёнова. И как из ствола дерева, из него со временем выросли новые крупные ветви, казалось бы, исходно с химической кинетикой никак не связанные: наука о горении и взрыве, как химическом, так и ядерном; химия полимеров; фотохимия; колебательные химические реакции; теории химического катализа и принципы синтеза искусственных алмазов; фотосинтез и фотохимическое преобразование солнечной энергии; физиология зрения и физико-химические исследования рака; технологии пищевых производств и новые методы в медицине.

Эти направления в течение какого-то времени развивались в пределах одного учреждения — Института химической физики (ИХФ), созданного Н. Н. Семёновым в 1931 году на основе одной из лабораторий знаменитого Физико-технического института Абрама Фёдоровича Иоффе; со временем какие-то направления стали «отпочковываться» новыми институтами.

В 1925 году ученики Н. Н. Семёнова Юлий Харитон и Зинаида Вальта обнаружили критические явления (их также называют предельными или пороговыми) в химической реакции — то есть такие, в которых есть некий порог, критическое значение одного из параметров, от преодоления которого зависит весь ход реакции. Харитон и Вальта изучали реакцию окисления фосфора кислородом. Оказалось, что, когда кислорода слишком мало, меньше определённого критического значения, реакция не идёт. Не то чтобы идёт медленнее, а вообще не идёт, что выглядело невероятным, так как привычным в то время было представление о плавном изменении скорости реакции по мере изменения количества реагентов. Достаточно вспомнить закон действующих масс, открытый за 60 лет до этого и предсказывающий линейную зависимость скорости реакции от концентрации каждого из реагентов. В данном же случае всё было совсем не так: пары фосфора вспыхивали, когда концентрация кислорода оказывалась выше пороговой, и полностью потухали при её снижении ниже порога. Сверх того, в последующих экспериментах Семёнова и его коллег (А. И. Шальникова, А. А. Трифонова, А. И. Лейпунского, Ю. Н. Рябинина) обнаружились ещё более загадочные явления: протекание реакции зависело от размера сосуда, а также от добавления в смесь инертных газов; на неё также оказывала влияние электрическая искра, пропущенная через кислород перед подачей его в реакционный сосуд.

Семёнов объяснил эти явления тем, что они — результат протекания разветвлённой цепной химической реакции. То есть такой реакции, в каждом акте которой образуются продукты, инициирующие следующий акт реакции. Причём в каждом акте реакции образуется больше активных продуктов, чем расходуется. В итоге активные продукты (они же — реагенты) размножаются, на каждом следующем шаге в реакционной смеси их оказывается всё больше и больше, и большее количество новых актов реакции запускается. Реакция развивается лавинообразно. Отсюда становится понятна и причина существования порога: вся «игра» идёт вокруг коэффициента размножения активных частиц. Если их будет образовываться меньше, чем расходуется (то есть коэффициент размножения ниже единицы), то цепная реакция не сможет развиться. Но если удастся, меняя какие-то параметры, добиться повышения коэффициента размножения выше единицы, то реакция вспыхнет. Концентрация кислорода, размер сосуда, наличие добавок — инертных газов — всё это меняло коэффициент размножения в опытах Семёнова и его коллег.

Читатель, знакомый с принципом цепной ядерной реакции, лежащей в основе атомного взрыва, наверное, уже заметил её сходство с реакциями, открытыми Семёновым. Разумеется, заметил его и сам Семёнов, и его ученики — Харитон и Зельдович. Когда на границе 1938 и 1939 годов немецкие химики Отто Ган* и Фриц Штрассман обнаружили, что облучение нейтронами ядер урана стимулирует их распад, Харитон и Зельдович занялись расчётом цепной реакции распада ядер урана (в ходе которой также образуются нейтроны). Неудивительно, что спустя несколько лет они оказались среди главных участников советского атомного проекта: Юлий Борисович Харитон стал научным руководителем одного из основных учреждений-разработчиков ядерного оружия, КБ-11 в г. Саров (ставшем известным позже как Арзамас-16), а Яков Борисович Зельдович — фактически главным теоретиком того же КБ. И не только они: из наиболее известных учеников Н. Н. Семёнова с началом советского атомного проекта в КБ-11 ушли Кирилл Иванович Щёлкин (который позже, в середине 1950-х, инициировал создание второго ядерного центра — НИИ-1011 в г. Снежинске, став его первым научным руководителем), Василий Константинович Боболев, Александр Фёдорович Беляев, Альфред Янович Апин, Давид Альбертович Франк-Каменецкий. Но и из тех, кто остался в ИХФ, многие переключились на тематику атомного проекта с 1946 года, когда институт активно включился в эти работы.

* Отто Ган «за открытие расщепления тяжёлых атомных ядер» награждён Нобелевской премией по химии за 1944 год.

Однако атомный взрыв — уже «вторая производная» от открытия Семёнова. А первая производная — процессы «обычного», химического взрыва и горения*. Поэтому с самых первых лет существования Института химической физики в нём шли работы по горению и взрыву. В предвоенные и военные годы это, в первую очередь, — взрывчатые вещества, боеприпасы, порохи. Наиболее известной из работ сотрудников института в данной области, возможно, была работа Я. Б. Зельдовича и О. И. Лейпунского, которые в годы Великой Отечественной войны решили проблему нестабильного горения порохов реактивных снарядов для «Катюш». Разрабатывались в институте и разные варианты двигателей внутреннего сгорания — как для гражданских, так и для военных целей. В послевоенные годы сотрудники института много занимались разработкой твёрдых ракетных топлив — твёрдых веществ или смесей, способных гореть без доступа кислорода.

* Заметим, впрочем, что чаще имеет место не цепной, а тепловой механизм химического взрыва — разогрев смеси из-за быстрого выделения тепла, которое не успевает отводиться наружу, и в итоге происходит автокаталитическое ускорение экзотермической реакции. Изучение теплового механизма взрыва, электрического пробоя и других сходных явлений также было в сфере интересов Н. Н. Семёнова ещё с 1920-х годов.

Но исследования горения и взрыва имели не только военное и даже не только прикладное назначение. Вспомним, что цепной механизм реакции основан на образовании в ходе реакции активных частиц, которые «запускают» следующий акт реакции. Если их образуется больше, чем расходуется, то реакция приобретает автокаталитический характер (явление, названное Семёновым «взаимодействием цепей»). Такой автокатализ может приводить к пороговым (критическим) явлениям. Но он также может приводить и к возникновению колебательного режима протекания химической реакции. Открытие колебательных химических реакций, а вместе с ними и целой области нелинейной динамики, динамического хаоса и т. д. стало одним из символов науки второй половины XX века. И один из истоков этих открытий, как ни удивительно, также связан с исследованиями процессов горения.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Уроки на экваторе Уроки на экваторе

Месяц в деревне в Кении глазами волонтера-учительницы из России

Вокруг света
30 идеальных новогодних поздравлений для друзей, коллег и самых близких 30 идеальных новогодних поздравлений для друзей, коллег и самых близких

Коллекция новогодних пожеланий

Cosmopolitan
Завтра была война… Завтра была война…

Резкий поворот во внешней политике Советского Союза

Дилетант
УАЗ «Патриот». Каково это, жить с автоматом УАЗ «Патриот». Каково это, жить с автоматом

Поставить на «Патриот» автоматическую трансмиссию просили многие

4x4 Club
Время Близнецов. Зимнее небо Время Близнецов. Зимнее небо

Созвездие Близнецов — самое северное зодиакальное созвездие

Наука и жизнь
«Вы больше не нужны»: судьба автора советских открыток Владимира Зарубина «Вы больше не нужны»: судьба автора советских открыток Владимира Зарубина

Художник, который нарисовал наш Новый год. Его открытки видел каждый

Cosmopolitan
Как модель для сборки Как модель для сборки

Шварцвальд: времена меняются, но не все в мире спешит меняться вместе с ними

Вокруг света
Беседы с Михаилом Пиотровским: «Хороший тон: Разговоры запросто, записанные Ириной Кленской» Беседы с Михаилом Пиотровским: «Хороший тон: Разговоры запросто, записанные Ириной Кленской»

Отрывок из книги Ирины Кленской о музейных сокровищах и людях

СНОБ
Свет и блеск Достоевского Свет и блеск Достоевского

Тернистый путь, пройденный Фёдором Михайловичем Достоевским

Наука и жизнь
Регион как преимущество Регион как преимущество

Вы приехали в гости? Извольте пробовать локальные блюда и оценить нашу кухню

Bones
Экологически чистое зазеркальное молоко Экологически чистое зазеркальное молоко

Макмиллан предложил название новому виду катализа — органокатализ

Наука и жизнь
Этот способ помог сделать ОКТ в разы эффективнее Этот способ помог сделать ОКТ в разы эффективнее

Биоинженеры значительно улучшили ОКТ

ТехИнсайдер
Разгадка истории Венеры кроется в её поверхности Разгадка истории Венеры кроется в её поверхности

Активны ли венерианские вулканы сегодня?

Наука и жизнь
Почему так сложно выйти из токсичных отношений Почему так сложно выйти из токсичных отношений

Почему прекратить абьюзивные отношения бывает крайне непросто?

Psychologies
«Мне теперь никто не звонит» «Мне теперь никто не звонит»

Советская власть очень жёстко боролась со всяким инакомыслием

Дилетант
9 вещей, которые радуют и раздражают владельцев Toyota 9 вещей, которые радуют и раздражают владельцев Toyota

Легендарная надежность, часы из 1980-х — самые характерные черты Toyota

РБК
Одна против всех Одна против всех

Сериал «Литвиненко» демонстрирует, что за каждым героем стоит героиня

Дилетант
Живые ёлки напрокат: сколько стоит реализовать экопроект и можно ли на нём заработать Живые ёлки напрокат: сколько стоит реализовать экопроект и можно ли на нём заработать

Как маркетолог Любовь Чернышева основала проект «Живые ёлки напрокат»

VC.RU
Женский орден на мужской груди Женский орден на мужской груди

Система орденов Российской империи отличалась от советского времени и наших дней

Дилетант
Как выглядят и чем живут сегодня крупнейшие звезды Playboy (фото прилагаются) Как выглядят и чем живут сегодня крупнейшие звезды Playboy (фото прилагаются)

Истории звезд Playboy: от секс-записей до трагической передозировки наркотиками

Maxim
«Проклятого чёрта брат» «Проклятого чёрта брат»

А существовало ли письмо запорожцев турецкому султану на самом деле?

Дилетант
Газ монооксида иттрия сизифово охладили до одного микрокельвина Газ монооксида иттрия сизифово охладили до одного микрокельвина

Физики охладили монооксид иттрия до одного микрокельвина

N+1
Дивный новый мир: как устроены NFT-площадки по продаже диджитал-искусства Дивный новый мир: как устроены NFT-площадки по продаже диджитал-искусства

Как продвигать цифровое искусство в эпоху высокой конкуренции?

СНОБ
Шестое чувство Шестое чувство

Психолог Ирина Млодик — об умении дружить и о том, как изменилась дружба

Seasons of life
Сервис выжимок увеличил конверсию в подписки на 23%: перестал хвалить себя и пообещал напомнить, когда спишет деньги Сервис выжимок увеличил конверсию в подписки на 23%: перестал хвалить себя и пообещал напомнить, когда спишет деньги

Как Blinkist изменил интерфейс приложения и увеличил число покупок на 1200%

VC.RU
Как Фрэнсис Хауген показала миру темную сторону Facebook и попала в рейтинг Forbes Как Фрэнсис Хауген показала миру темную сторону Facebook и попала в рейтинг Forbes

Бывшая сотрудница Facebook обнародовала внутренние документы компании

Forbes
Самая главная Самая главная

Стать лидером – и не пожалеть об этом

Cosmopolitan
Трагические судьбы известных моделей: жуткие убийства и загадочные исчезновения Трагические судьбы известных моделей: жуткие убийства и загадочные исчезновения

Вспоминаем самые жуткие истории из жизни моделей

VOICE
Прогресс или угроза: стоит ли нам бояться искусственного интеллекта Прогресс или угроза: стоит ли нам бояться искусственного интеллекта

Какие опасности несут в себе искусственный интеллект, цифровизация и роботизация

Популярная механика
А остальные им завидуют: топ-10 самых влиятельных российских звезд — 2021 А остальные им завидуют: топ-10 самых влиятельных российских звезд — 2021

Самые влиятельные звезды, которые особенно отличились своими успехами

Cosmopolitan
Открыть в приложении