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

Советские солдаты возле убитого двойника Гитлера Советские солдаты возле убитого двойника Гитлера

В мае 1945 года по Берлину распространился слух, что обнаружен труп Гитлера

Дилетант
Как вызывают искусственный дождь и вредно ли это для природы Как вызывают искусственный дождь и вредно ли это для природы

Сегодня вам не к чему танцевать с бубном, чтобы вызвать дождь

Популярная механика
Погружение в Африку Погружение в Африку

Маршрут доктора Дэвида Ливингстона вглубь Африки спустя 160 лет

Вокруг света
Почему не надо пить алкоголь натощак? Объясняем наглядно Почему не надо пить алкоголь натощак? Объясняем наглядно

Как алкоголь действует на организм?

Популярная механика
Задать жару Задать жару

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

Вокруг света
Букет в цветочном горшке Букет в цветочном горшке

Красивые комнатные растения с недолгим сроком жизни

Наука и жизнь
Разгадка истории Венеры кроется в её поверхности Разгадка истории Венеры кроется в её поверхности

Активны ли венерианские вулканы сегодня?

Наука и жизнь
«Теремок» с секретом. Что ставят в Саратовском театре кукол «Теремок» с секретом. Что ставят в Саратовском театре кукол

О чем мечтают актеры Саратовского театра кукол «Теремок»

СНОБ
Горящая точка Горящая точка

Жители деревни Лисин начинают рабочий день, спускаясь в кратер активного вулкана

Вокруг света
Марфа Пешкова Марфа Пешкова

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

Дилетант
Время Близнецов. Зимнее небо Время Близнецов. Зимнее небо

Созвездие Близнецов — самое северное зодиакальное созвездие

Наука и жизнь
Герасим и топор, или Преступление без наказания Герасим и топор, или Преступление без наказания

Вероятно, это самое знаменитое описание преступления в мировой литературе

Дилетант
Свет и блеск Достоевского Свет и блеск Достоевского

Тернистый путь, пройденный Фёдором Михайловичем Достоевским

Наука и жизнь
Киборг-герой: кто такие пилоты-испытатели протезов и чем они занимаются Киборг-герой: кто такие пилоты-испытатели протезов и чем они занимаются

Илья Морковский — пилот-испытатель, который постоянно тестирует протезы руки

Forbes
Ленин Бессмертный Ленин Бессмертный

Ленин жил! Ленин — жив! Ленин будет жить!

Дилетант
Подонок и паршивый лицемер. История знаменитого адвоката и друга Дональда Трампа Роя Кона Подонок и паршивый лицемер. История знаменитого адвоката и друга Дональда Трампа Роя Кона

О жизни американского адвоката, «ублюдка и паршивого лицемера» Роя Кона

4x4 Club
Первая русская манифестация Первая русская манифестация

С юности Владимир Новосильцев был, как казалось, настоящим баловнем судьбы

Дилетант
Чем короче юбка — тем меньше счет: 5 заведений, которые предлагают необычные скидки Чем короче юбка — тем меньше счет: 5 заведений, которые предлагают необычные скидки

Гении ресторанного креатива

Playboy
Сказка об утраченных глаголах, или Как торопиться, да не оторопеть Сказка об утраченных глаголах, или Как торопиться, да не оторопеть

Понять, как в сочетании слов проговаривается нечто большее

Наука и жизнь
«Telegram нужен как независимый проект»: как Дуров пытался найти деньги на мессенджер и запустил рекламу «Telegram нужен как независимый проект»: как Дуров пытался найти деньги на мессенджер и запустил рекламу

О расходах, монетизации и причинах появления «раздражающей» рекламы в Telegram

VC.RU
Наполеон: в императоры из республиканца Наполеон: в императоры из республиканца

Диктатура Наполеона слишком изменила и страну, и народ

Дилетант
Чем изумляли немецких солдат пленные женщины-красноармейцы Чем изумляли немецких солдат пленные женщины-красноармейцы

По официальным оценкам, на фронте сражались 800 тысяч советских женщин

Cosmopolitan
Запретная тема. Умерла Джоан Дидион Запретная тема. Умерла Джоан Дидион

Биографическое эссе в память о Джоан Дидион

СНОБ
Игра в классику: 10 культовых фильмов, чтобы скоротать вечер в приятной компании Игра в классику: 10 культовых фильмов, чтобы скоротать вечер в приятной компании

Проверенная временем классику, которая сформировала основу современного кино

Правила жизни
«Золотые аферистки»: традиции брака в Иране и как девушки на них зарабатывают «Золотые аферистки»: традиции брака в Иране и как девушки на них зарабатывают

Блогерка Кристина Бошчех — о тонкостях иранского менталитета

Cosmopolitan
Правда «Мемориала»: почему организация не вписалась в официальную историю репрессий Правда «Мемориала»: почему организация не вписалась в официальную историю репрессий

Как «Мемориал» вошел в жесткое противоречие с силовой версией советской истории?

Forbes
Необычные приветственные комплименты: как встречают гостей в отелях мира Необычные приветственные комплименты: как встречают гостей в отелях мира

Получить от проживания в отеле больше, чем ты ожидаешь, всегда приятно

Cosmopolitan
Не музыкой единой: как Spotify готовится совершить революцию в мире аудиозаписей Не музыкой единой: как Spotify готовится совершить революцию в мире аудиозаписей

Десять лет назад Даниэль Эк совершил переворот в музыкальной индустрии

Forbes
Какова красота: звездные мужчины, которым невероятно идет макияж Какова красота: звездные мужчины, которым невероятно идет макияж

Мужчины в звездной среде более восприимчивы к бьюти-экспериментам

Cosmopolitan
Ждешь как чуда Ждешь как чуда

Воспоминания (с детскими фото!) и семейные традиции друзей GRAZIA

Grazia
Открыть в приложении