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

Блистательное завершение праздничной еды Блистательное завершение праздничной еды

История десерта

Наука и жизнь
Факты о норвежской лесной кошке Факты о норвежской лесной кошке

Пушистые, социальные, похожие на рысь — что мы знаем о норвежских лесных кошках?

Популярная механика
Время Близнецов. Зимнее небо Время Близнецов. Зимнее небо

Созвездие Близнецов — самое северное зодиакальное созвездие

Наука и жизнь
Самый больной на свете человек: что такое синдром Мюнхгаузена Самый больной на свете человек: что такое синдром Мюнхгаузена

Психическое расстройство, при котором люди выдумывают себе невероятные болезни

РБК
Задать жару Задать жару

Хого – горячее блюдо, которое подают на праздники для большой компании

Вокруг света
Почему всегда так сложно выбрать подарок для мужчины? Почему всегда так сложно выбрать подарок для мужчины?

Объясняем, почему подарок для мужика — это всегда квест

Maxim
Погружение в Африку Погружение в Африку

Маршрут доктора Дэвида Ливингстона вглубь Африки спустя 160 лет

Вокруг света
«Разведенка с прицепом»: не приговор, а манипуляция общественным сознанием «Разведенка с прицепом»: не приговор, а манипуляция общественным сознанием

«Разведенка с прицепом» — это приговор счастливой семейной жизни?

Psychologies
Боги, люди и поганки Боги, люди и поганки

Грибы занимают уникальное место не только в биосфере, но и в истории цивилизации

Вокруг света
Придется пересмотреть дважды: 10 фото, от которых взрывается мозг Придется пересмотреть дважды: 10 фото, от которых взрывается мозг

Поймать такой момент специально не получится!

Cosmopolitan
Свет и блеск Достоевского Свет и блеск Достоевского

Тернистый путь, пройденный Фёдором Михайловичем Достоевским

Наука и жизнь
Археологи нашли аланского ребенка с искусственно деформированным черепом Археологи нашли аланского ребенка с искусственно деформированным черепом

Ученые обнаружили на периферии кургана аланского могильника детское погребение

N+1
Разгадка истории Венеры кроется в её поверхности Разгадка истории Венеры кроется в её поверхности

Активны ли венерианские вулканы сегодня?

Наука и жизнь
Неизвестный гоминин прогулялся по вулканическому пеплу 3,6 миллиона лет назад Неизвестный гоминин прогулялся по вулканическому пеплу 3,6 миллиона лет назад

Биологи и антропологи повторно исследовали следы, обнаруженные в Танзании

N+1
Плоды вулкана Плоды вулкана

Как на Курилах учатся добывать рений из вулканических газов

Вокруг света
Алек Болдуин расплакался, рассказывая о смертельном выстреле на съемках Алек Болдуин расплакался, рассказывая о смертельном выстреле на съемках

Алек Болдуин дал первое большое интервью после трагедии на съемочной площадке

Cosmopolitan
Древнейшие обитатели Дикого поля Древнейшие обитатели Дикого поля

Кочевые племена господствовали в Причерноморье не менее двух тысяч лет

Дилетант
Немирные грезы Немирные грезы

Григорий Ревзин о борьбе со злом в ванне

Weekend
Орловский дуплет Орловский дуплет

Особую сложность при атрибуции портретов представляют изображения военных

Дилетант
Палеогенетики секвенировали древнюю ДНК из пропитанных смолой отложений Палеогенетики секвенировали древнюю ДНК из пропитанных смолой отложений

В плейстоценовых отложениях хорошо сохраняется древняя ДНК

N+1
Как в Даурии радужный камень нашли Как в Даурии радужный камень нашли

Флюорит — завораживающий минерал, появившийся в природной «лаборатории»

Наука и жизнь
Самая сложная головоломка в мире. Попробуешь разгадать? Самая сложная головоломка в мире. Попробуешь разгадать?

Мы приготовили для тебя задачку, которую называют самой сложной в мире

Cosmopolitan
Ученые исследовали гамма-вспышки, сопровождающие молнии в атмосфере Ученые исследовали гамма-вспышки, сопровождающие молнии в атмосфере

Ученые построили модель развития наземных гамма-вспышек

Популярная механика
Безопасная среда: как она помогает исцелиться от психологической травмы Безопасная среда: как она помогает исцелиться от психологической травмы

Как обрести безопасность после травмирующих событий?

Psychologies
С глаз долой, из сердца вон: как удалить аккаунт в ВК, чтобы никто не обиделся С глаз долой, из сердца вон: как удалить аккаунт в ВК, чтобы никто не обиделся

Понятное руководство к действию: как удалить аккаунт во ВКонтакте

Playboy
Что такое техпроцесс: меньше – лучше? Что такое техпроцесс: меньше – лучше?

Что такое техпроцесс, и почему меньше нанометров – это не всегда лучше

CHIP
«Корабль дураков» Дмитрия Крымова «Корабль дураков» Дмитрия Крымова

О творческом методе Дмитрия Крымова размышляет Алла Боссарт

СНОБ
Грелка вместо объятий: как тепло помогает нам чувствовать себя в безопасности Грелка вместо объятий: как тепло помогает нам чувствовать себя в безопасности

Чтобы справиться с тревогой и страхом, достаточно… взять в руки что-то теплое

Psychologies
Как вы справляетесь с аэрофобией? Как вы справляетесь с аэрофобией?

Лев Рубинштейн об аэрофобии и способах ее преодоления

GQ
Z — значит Зендея: почему самая безукоризненная голливудская звезда заслуживает внимания Z — значит Зендея: почему самая безукоризненная голливудская звезда заслуживает внимания

Как Зендея запололнила медиа-пространство и почему стоит за ней следить

Esquire
Открыть в приложении