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

Как модель для сборки Как модель для сборки

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

Вокруг света
Гном и красавица: на ком женился самый маленький мужчина СССР Гном и красавица: на ком женился самый маленький мужчина СССР

По каким причинам Костя Морозов родился крохотным, никто не знал

Cosmopolitan
Свет и блеск Достоевского Свет и блеск Достоевского

Тернистый путь, пройденный Фёдором Михайловичем Достоевским

Наука и жизнь
«Голые» фото звезд-2021, которые лишили нас дара речи: Толкалина, Шейк и другие «Голые» фото звезд-2021, которые лишили нас дара речи: Толкалина, Шейк и другие

В 2021 году звезды не скупились на публикацию откровенных снимков

Cosmopolitan
Властелин Европы посреди Атлантики Властелин Европы посреди Атлантики

Святая Елена стала местом смерти Наполеона и рождения наполеоновской легенды

Дилетант
Счастья баловень безродный... Счастья баловень безродный...

Оценка Петром Меншикова была прозаической и трезвой: вороватый, да верный

Дилетант
Время Близнецов. Зимнее небо Время Близнецов. Зимнее небо

Созвездие Близнецов — самое северное зодиакальное созвездие

Наука и жизнь
«Все подруги замужем, а я?»: как эта установка портит нам жизнь «Все подруги замужем, а я?»: как эта установка портит нам жизнь

Как не сравнивать себя с другими и почему не стоит гнаться за замужеством?

Psychologies
Погружение в Африку Погружение в Африку

Маршрут доктора Дэвида Ливингстона вглубь Африки спустя 160 лет

Вокруг света
Идеальная формула: как различные компоненты меняют свойства жевательной резинки Идеальная формула: как различные компоненты меняют свойства жевательной резинки

Рассказываем, на какие компоненты обращать внимание при покупке жвачки

Популярная механика
Разгадка истории Венеры кроется в её поверхности Разгадка истории Венеры кроется в её поверхности

Активны ли венерианские вулканы сегодня?

Наука и жизнь
Компьютер включился сам: как бороться с этой напастью Компьютер включился сам: как бороться с этой напастью

Почему компьютер включился сам и что с этим делать?

CHIP
Очарование легенды Очарование легенды

Наполеон сделал многое, чтобы придать своей личности образ сверхчеловека

Дилетант
Таёжное проклятие Таёжное проклятие

В начале 1930-х в Кремль стали поступать тревожные сообщения с Дальнего Востока

Дилетант
Не можем повторить! Не можем повторить!

Какие настроения царили в странах после завершения Первой мировой войны

Дилетант
Осознанная работа с неосознанными действиями: разбираемся, как внедрять в жизнь новые привычки Осознанная работа с неосознанными действиями: разбираемся, как внедрять в жизнь новые привычки

Можно ли осознанно изменить свои привычки?

Популярная механика
Четвёрка над пятёркой Четвёрка над пятёркой

Советские разведчики, которые вербовали, курировали и руководили «пятёркой»

Дилетант
Вестсайдские сториз: зачем нам сразу две за год экранизации Шекспира Вестсайдские сториз: зачем нам сразу две за год экранизации Шекспира

«Вестсайдская история» и R#J: старомодный мюзикл vs скринлайф-опера

РБК
Скульптор Пьетро Кюфферле в Петербурге Скульптор Пьетро Кюфферле в Петербурге

Какие творения скульптора Пьетро Кюфферле остались в Петербурге

Наука и жизнь
В путешествие с ребенком: как не испортить себе отдых В путешествие с ребенком: как не испортить себе отдых

Время отпусков и путешествий. Встает вопрос: как быть с ребенком?

Psychologies
Не царский сын? Не царский сын?

Рождение Павла Петровича вызвало много пересудов при дворе

Дилетант
«Как ломаются спагетти и другие задачи по физике» «Как ломаются спагетти и другие задачи по физике»

Отрывок из книги «Как ломаются спагетти и другие задачи по физике»

N+1
«Сначала лучше, потом дешевле. Сначала доходы, потом расходы» «Сначала лучше, потом дешевле. Сначала доходы, потом расходы»

Интервью руководителя ВТБ Private Banking Дмитрия Брейтенбихера

Forbes
Теоретики исследовали влияние неоднородностей на расширение Вселенной Теоретики исследовали влияние неоднородностей на расширение Вселенной

Возможно, в будущем расширение Вселенной замедлится

N+1
«Женщин воспринимают как товар! Отвратительно!»: Анна Хилькевич об эйджизме «Женщин воспринимают как товар! Отвратительно!»: Анна Хилькевич об эйджизме

Анна Хилькевич высказалась о дискриминации женщин по возрасту

Cosmopolitan
Как вернуть себе устойчивость, когда проживаешь измену Как вернуть себе устойчивость, когда проживаешь измену

Мы переживаем измену как серьезную психологическую травму

Psychologies
Правило № 69: Вот тебе под ушки белые подушки Правило № 69: Вот тебе под ушки белые подушки

Алексей Ситников объясняет, что внутри у подушки безопасности — деньги

Tatler
Итальянский опыт Итальянский опыт

Мы попросили шеф-поваров — преподавателей академии поделиться своими рецептами

Bones
«Синдром Плюшкина»: безобидная причуда или личностное расстройство? «Синдром Плюшкина»: безобидная причуда или личностное расстройство?

«Синдром Плюшкина», или «хоардинг» — чем опасен и как лечить?

Psychologies
Праздник по карману Праздник по карману

5 лайфхаков к Новому году: как не разориться на покупках

Лиза
Открыть в приложении