Между физикой и химией

С именем нобелевского лауреата академика Николая Семенова связано становление и расцвет химической физики как науки, разрабатывающей проблемы строения и превращений веществ на базе современной теоретической и экспериментальной физики.

Особое значение имеют его основополагающие труды в области химической кинетики, прежде всего цепных реакций и теории процессов горения и взрывов.

Цепная реакция

Николай Николаевич Семенов родился 15 апреля 1896 года в Саратове. В 1917-м окончил физико-математический факультет Петроградского университета. С 1920 года полностью посвятил себя большой науке, став заведующим лабораторией, а затем заместителем директора и руководителем сектора Государственного физико-технического рентгеновского института (ГФТИ) в Ленинграде, возглавляемого академиком А. Ф. Иоффе, вокруг которого в этом институте в первое десятилетие советской власти сложилась группа выдающихся молодых физиков — П. Л. Капица, Н. Н. Семенов, П. И. Лукирский, Я. И. Френкель, Я. Г. Дорфман, Н. И. Добронравов, М. В. Кирпичева, Я. Р. Шмидт.

16 октября 1931 года на базе возглавляемого Семеновым сектора был создан Ленинградский научно-исследовательский институт химической физики АН СССР, и он стал директором этого научного учреждения, прославившегося своими трудами во всем мире.

Интерес Николая Семенова к проблемам, лежащим на грани физики и химии, проявился на ранних этапах его научной деятельности. В 1956 году на праздновании 60-летия Николая Николаевича А. Ф. Иоффе вспоминал, как, делая одну из своих студенческих работ по физике твердого тела, Семенов сразу же начал искать связи между физическими свойствами и химическим строением исследовавшихся веществ. Хотя первые годы научной деятельности Семенов в основном посвятил электронным явлениям, в частности такой классической области физики, как электрический пробой. Совместно с А. К. Вальтером он выполнил фундаментальные работы в области тепловой теории этого процесса. Занимался Николай Николаевич и молекулярной физикой. Им были проведены исследования молекулярного пучка, изучены явления критической температуры конденсации, совместной конденсации, адсорбции. Одновременно изучались реакции полимеризации и решались некоторые вопросы коллоидной химии. Большое внимание уделялось исследованию потенциалов ионизации паров металлов и солей.

Были выполнены важные работы, которые легли в основу современных представлений об электронном строении и динамике превращения молекул. Изучались люминесценция, обмен энергией при столкновении электронов и ионов с молекулами, спектр молекул.

Однако главным достижением Семенова стало создание общей теории цепных химических реакций и современной теории процессов горения и взрывов.

Понятие «цепная реакция» обычно связывается с представлением о саморазвивающихся и лавинообразных физических и химических процессах. Несомненно, широкому распространению этого термина в немалой мере способствовало установление механизма деления ядер урана и плутония, которое открыло доступ к энергии атомного ядра. Однако следует помнить, что цепной характер многих химических реакций был открыт, обстоятельно изучен и теоретически обоснован химиками еще раньше.

Николай Семенов создал теорию критических явлений в цепных реакциях (критическое давление, критический размер реактора в процессах воспламенения газов). В рамках теории разветвленных цепных реакций получили ясное истолкование опыты с влиянием добавок инертных газов на воспламенение газовых смесей.

На примере реакции водорода с кислородом Семенов продемонстрировал прием управления цепной реакцией, аналогичный регулированию цепной ядерной реакции в атомном реакторе.

Впоследствии четкие предельные (критические) явления были найдены при окислении паров серы, водорода, окиси углерода, сероуглерода и т. п. и показали распространенность цепных разветвленных реакций.

Основные теории цепных реакций изложены Семеновым во всемирно известной монографии «Цепные реакции», вышедшей в 1934 году. В 1935-м ее переиздали в Великобритании. Этот фундаментальный труд стал настольной книгой ученых, работающих в области химической физики.

Под руководством Николая Семенова в Институте химической физики (ИХФ) АН СССР был выполнен огромный цикл работ по цепным реакциям, в результате которых институт возглавил это направление в мировой науке.

Ввиду решающей роли свободных атомов и радикалов в цепных реакциях большое внимание Семенов уделил их обнаружению, идентификации, определению концентрации по ходу реакции. Он сделал важный вывод об образовании в ходе цепных разветвленных реакций высокой концентрации этих активных центров. Например, в ходе цепной разветвленной реакции окисления водорода до 15% продукта переходит в атомное состояние. Впоследствии этот вывод был подтвержден на новом уровне экспериментальной техники — методом электронного парамагнитного резонанса. В развитие общих представлений Николая Семенова о цепном вырожденно-разветвленном механизме окисления углеводородов в мире были развернуты широкие исследования кинетики и механизма цепного жидкофазного окисления органических веществ, в результате чего стало возможно промышленное получение органических кислот, перекисей и других важных химических продуктов.

Борис Кустодиев. Портрет будущих нобелевских лауреатов профессоров Капицы и Семёнова. 1921 год

Wikipedia

От полимеризации до химической кинетики

Пропагандировал Николай Николаевич необходимость установления количественной связи между строением реагирующих веществ и их реакционной способностью с позиций химической кинетики. Этому посвящена его монография «О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности» (1954, 1958), которая дала новый толчок развитию химической кинетики в весьма важном направлении.

В последние годы жизни пристальное внимание Семенова привлекает одно из практически наиболее важных цепных превращений — полимеризация. В ИХФ АН СССР разрабатываются новые полимеризационные процессы, ведутся работы по органическим полупроводникам и их каталитическому действию и т. п. Николай Николаевич и его сотрудники изучают особый класс цепных реакций с энергетическими разветвлениям цепи, при которых в ходе цепной реакции образуются продукты, несущие большой запас энергии,— возбужденные молекулы.

Распадаясь, они дают свободные радикалы, инициирующие новые цепи химических превращений. На основе таких реакций, например, создаются химические лазеры.

Отозвался Николай Николаевич и на общий подъем интереса ученых мира к проблемам молекулярной биологии. В ИХФ получили развитие исследования кинетических закономерностей развития биологических процессов, методов оценки эффективности противоопухолевых и радиозащитных свойств химических соединений, кинетики и химизма ферментативного катализа, химической генетики. Во всех этих работах находят место и обеспечивают успех кинетические методы.

Николай Николаевич Семёнов в лаборатории

biblioatom.ru

Химия ударных волн

С именем Николая Семенова связано развитие в мире исследования процессов горения и взрывов. Еще в 1928 году в работе «К теории процессов горения» Николай Николаевич дал четкое разграничение понятий цепного воспламенения и теплового взрыва. Изучение процессов теплового взрыва, распространения пламени, быстрого горения и детонации становится одним из главных направлений деятельности ИХФ АН СССР. Кроме законов теплового взрыва для реакций простых типов, разработаны закономерности взрыва для реакций автокаталитического типа, установлены критерии теплового взрыва в виде соотношения между временем химической реакции и временем тепловой релаксации, рассмотрен тепловой взрыв для случая кондуктивной теплопередачи и т. п. Широкое развитие получают в институте теоретические и экспериментальные исследования процессов распространения пламени, разрабатывается теория концентрационных пределов. Данные используются для определения скорости быстрых реакций, протекающих в пламени при температуре 2000‒3000 °С. В результате этих работ наука получила законченную во всех принципиальных вопросах теорию горения газов, современную теорию явления детонации. Особое внимание уделялось выяснению механизма передачи детонации. Было показано, что детонация возникает под действием удара микроскопических (массой около 10‒12 г) частиц вещества, установлен механизм взрыва взрывчатых веществ под действием удара. Наиболее важным достижением стала формулировка определяющего условия устойчивой детонации, которая возможна лишь в том случае, если время релаксации во фронте детонационной волны меньше времени разброса вещества под действием огромного давления, развивающегося в зоне взрыва. Поскольку время разброса зависит от диаметра заряда, принцип дает объяснение критическому диаметру заряда, ниже которого детонация невозможна.

Еще в первые годы существования ИХФ АН СССР было выполнено экспериментальное исследование, посвященное вопросам отражения и столкновения ударных волн. В дальнейшем были завершены исследования по механическому действию ударной волны в воздухе, зависимости максимального давления и импульса ударной волны от массы заряда и расстояния от места взрыва. Получила развитие химия ударных волн, которая изучает превращение веществ, произошедшее в результате ударного сжатия. Разработаны методы синтеза в ударных волнах практически важных неорганических соединений — алмаза, вюртцитоподобного нитрида бора.

Н. Н. Семёнов дважды Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской и двух Государственных премий, лауреат Нобелевской премии по химии. Награжден девятью орденами Ленина, высшей наградой Академии наук — золотой медалью им. М. В. Ломоносова. Н. Н. Семёнов был почетным членом в академиях и научных обществах Англии, Индии, Венгрии, США, Румынии, Чехословакии, Болгарии; почетным доктором наук в Оксфорде, Брюсселе, Милане, Будапеште, Лондоне, Праге, Берлине, Вроцлаве

biblioatom.ru

Девять орденов Ленина

Велики заслуги Николая Семенова в научно-организационной, педагогической и общественной деятельности. ИХФ не единственная организация, им созданная. В Сибирском отделении АН СССР работает Институт химической кинетики и горения, в Ереване — Институт химической физики Академии наук Армянской ССР, организованные при его активном участии.

Еще в 1920-х годах вместе с академиком А. Ф. Иоффе Николай Николаевич организовал физико-механический факультет ленинградского Политехнического института, ставшего школой для многих крупнейших ученых. Недавно отметила 35-летие первого выпуска кафедра химической кинетики МГУ, которой руководил Семенов. Николай Николаевич был одним из инициаторов создания Московского физико-технического института и его факультета молекулярной и химической физики, выпускающего высококвалифицированных физиков-исследователей. Семенов — инициатор создания специальных научных журналов, в частности «Журнала физической химии» и «Журнала химической физики».

Хорошо известна деятельность Николая Семенова на посту вице-президента АН СССР, председателя правления Всесоюзного общества «Знание».

За выдающуюся научную деятельность Николай Николаевич Семенов был дважды удостоен звания Героя Социалистического Труда. Ему были присуждены Ленинская (1976), Государственные премии (1941 и 1949), он был награжден девятью орденами Ленина, орденом Трудового Красного Знамени и медалями. Николай Семенов был избран членом многих зарубежных академий и научных обществ. В 1956 году он Семенов был удостоен Нобелевской премии по химии.

А учитель Семенова А. Ф. Иоффе как-то сказал о своем ученике: «Неспокойный нрав Семенова бросал его то в физику, то в химию, то в Ленинград, то в Москву, пока он не застрял на водоразделе химической физики. И стал расти водораздел и вширь, и ввысь, обрастать дворцами и церквами, и загорелись в них огни и взрывы, зарезвились на просторе радикалы».

Источники:

Эмануэль Н. М. Николай Николаевич Семенов. М., Наука, 1966. 90 с.

Храмов Ю. А. Семенов Николай Николаевич // Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. Изд. 2-е, испр. и доп. М., Наука, 1983.