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

Свет и блеск Достоевского Свет и блеск Достоевского

Тернистый путь, пройденный Фёдором Михайловичем Достоевским

Наука и жизнь
«Третья волна»: история самого жестокого школьного эксперимента «Третья волна»: история самого жестокого школьного эксперимента

Учитель даже представить себе не мог, чем закончится его небольшая постановка

Cosmopolitan
Марфа Пешкова Марфа Пешкова

Не стало Марфы Пешковой — внучки Максима Горького и подруги Светланы Аллилуевой

Дилетант
60 м² 60 м²

Основатели бюро ToTaste решили оставить в квартире открытую кирпичную кладку

AD
Погружение в Африку Погружение в Африку

Маршрут доктора Дэвида Ливингстона вглубь Африки спустя 160 лет

Вокруг света
30 м² 30 м²

“Инстаграмный” интерьер, который будет эффектно выглядеть и привлекать туристов

AD
Чистое дыхание авиации Чистое дыхание авиации

Первые регулярные рейсы электросамолеты могут совершить в ближайшие годы

Популярная механика
Заархивировать интернет, чтобы помочь студентам, журналистам и исследователям: зачем создавался сервис Wayback Machine Заархивировать интернет, чтобы помочь студентам, журналистам и исследователям: зачем создавался сервис Wayback Machine

Зачем Брюстер Кейл придумал сервис, чтобы сохранять веб-страницы

VC.RU
Властелин Европы посреди Атлантики Властелин Европы посреди Атлантики

Святая Елена стала местом смерти Наполеона и рождения наполеоновской легенды

Дилетант
Genesis GV70. Продажа перспектив Genesis GV70. Продажа перспектив

Внешность GV70 действительно впечатляет

4x4 Club
Не шпионы, а друзья Не шпионы, а друзья

«Кембриджская пятёрка» – одна из лучших разведывательных групп мира

Дилетант
Откуда взялось публичное клише о человеческом факторе как виновнике аварий Откуда взялось публичное клише о человеческом факторе как виновнике аварий

На чем основано мнение о том, что человек виновен в большинстве аварий?

Популярная механика
«Мой ребенок боится ошибиться»: что делать «Мой ребенок боится ошибиться»: что делать

Откуда у детей берется глубокая неуверенность в себе?

Psychologies
Пусть бегут неуклюже Пусть бегут неуклюже

Новые технологии и пандемия породили новый вид театра — спектакль-прогулку

Robb Report
Антидот: человечество в поисках противоядий Антидот: человечество в поисках противоядий

Как люди ищут антидоты к ядам на протяжении всей своей истории

Популярная механика
Всё о ВИЧ и СПИД: 8 вопросов эксперту Всё о ВИЧ и СПИД: 8 вопросов эксперту

Как защититься от ВИЧ, что делать, если произошел контакт и можно ли вылечиться?

РБК
Что будет с телом, если каждый день в течение месяца делать планку Что будет с телом, если каждый день в течение месяца делать планку

Каких изменений можно ждать, если делать планку в течение 30 дней

Cosmopolitan
Подушка безопасности: виды, функции и неисправности Подушка безопасности: виды, функции и неисправности

Как система безопасности автомобиля спасает водителя и пассажиров при аварии?

РБК
Солнечные панели, улавливающие и свет, и тепло: удвоим ресурс Солнечные панели, улавливающие и свет, и тепло: удвоим ресурс

Как преобразовать солнечное тепло в полезную энергию?

Популярная механика
На своих двоих На своих двоих

Сколько времени без вреда для ног можно проводить в разной обуви

Лиза
Универсальный актёр Универсальный актёр

Николай Черкасов мог сыграть кого угодно

Дилетант
Теоретики исследовали влияние неоднородностей на расширение Вселенной Теоретики исследовали влияние неоднородностей на расширение Вселенной

Возможно, в будущем расширение Вселенной замедлится

N+1
Меган Маркл целовалась в губы с красавчиком Кристофером перед встречей с Гарри Меган Маркл целовалась в губы с красавчиком Кристофером перед встречей с Гарри

Меган Маркл до встречи с принцем Гарри снялась в легкомысленной комедии

Cosmopolitan
Христианский гимн, панк и факельное шествие. Как Германия проводила Ангелу Меркель с поста канцлера Христианский гимн, панк и факельное шествие. Как Германия проводила Ангелу Меркель с поста канцлера

Как прошла торжественная церемония в честь Ангелы Меркель

СНОБ
«Тараканы и те интересны» «Тараканы и те интересны»

С Юрием Васнецовым каждый из нас знаком с детства

Дилетант
Страсти по обжарке: как кофейня из Петербурга пережила пандемию и помогла пенсионерам Страсти по обжарке: как кофейня из Петербурга пережила пандемию и помогла пенсионерам

Основательница Pitcher вошла в шорт-лист премии Forbes Woman Mercury Awards

Forbes
Чужие деньги: как финансовый менеджер Бритни Спирс зарабатывала на ее опекунстве Чужие деньги: как финансовый менеджер Бритни Спирс зарабатывала на ее опекунстве

Кто такая Луиз Тейлор и какую роль она сыграла в жизни Бритни Спирс?

Forbes
От совестливой номенклатуры — к буржуазному олигархату От совестливой номенклатуры — к буржуазному олигархату

Какую эволюцию прошла элита, прежде чем решилась свернуть советский проект

Эксперт
Девятая планета: существует ли она на самом деле? Девятая планета: существует ли она на самом деле?

Зачем и как люди ищут девятую планету Солнечной системы?

Популярная механика
От чтения мыслей до вторжения во сны: зачем исследуют сознание и чем это грозит От чтения мыслей до вторжения во сны: зачем исследуют сознание и чем это грозит

Учёные научились считывать структуру фраз и даже визуальные образы из мыслей

VC.RU
Открыть в приложении