Физик, ставший химиком: Николай Николаевич Семёнов (1896–1986)

Илья Леенсон, канд. хим. наук, ст. науч. сотр. кафедры химической кинетики химического факультета МГУ

Илья Леенсон, канд. хим. наук, сотр. химического факультета МГУ

В этом году исполнилось 120 лет со дня рождения крупнейшего отечественного ученого — Н. Н. Семёнова, 30 лет со дня его смерти и 60 лет со дня присуждения ему Нобелевской премии по химии — единственной в нашей стране в этой номинации. В памяти сотрудников Н. Н. (как его часто называли за глаза) остался как очень яркая, незабываемая личность. Такой же яркой и захватывающей была его биография.

Н. Н. Семёнов родился в Саратове в семье профессионального военного. В 1909 году семья переехала в Самару, где Николай посещал реальное училище, которое окончил в 1913 году. В училище он заинтересовался физикой и химией. Через много лет на одном из семинаров на нашей кафедре химической кинетики (Семёнов организовал ее в 1944 году и возглавлял до конца жизни) Николай Николаевич рассказал о своем первом знакомстве с химией. В детстве он узнал из книг, что обычная поваренная соль образована активным металлом натрием и ядовитым газом хлором. Это его очень заинтересовало. И когда появилась возможность проверить этот факт на практике, он сжег кусочек натрия в колбе с хлором. После завершения бурной реакции горения на стенках сосуда осел белый порошок. Николай соскреб этот налет, посыпал им кусочек черного хлеба и съел. Он сказал, что был очень доволен этим «экспериментом». Дома Николай часто ставил химические опыты, которые иногда заканчивались взрывами. Впоследствии взрывные реакции стали одной из основных тем его научных интересов.

Николай Семёнов

Николай Семёнов

После окончания училища Семёнов поступил на физическое отделение физико-математического факультета Петербургского университета. Уже со второго курса он начал заниматься экспериментальной научной работой под руководством Абрама Фёдоровича Иоффе, будущего знаменитого академика, создателя школы отечественных физиков. Еще студентом он опубликовал свою первую статью, посвященную воздействию электронов на молекулы.

После окончания в 1917 году университета Семёнов был оставлен при нем стипендиатом для научной работы и подготовки к профессорскому званию. Однако бурные события в стране смешали все его планы. Летом 1918 года Семёнов поехал на каникулы к родителям в Самару, где его застала Гражданская война. Вернуться на учебу в Петроград он уже не смог. Увлеченный наукой, он не интересовался политикой и плохо понимал, что происходит в стране. Власть в Поволжье тогда перешла эсеровскому правительству. «Под влиянием мелкобуржуазной среды», как вспоминал Семёнов, он в июле добровольно вступил в «народную армию» Самарского учредительного собрания, где был назначен рядовым в артиллерийскую батарею. Около месяца он выполнял обязанности коновода, причем три недели — на фронте, против Красной армии. Николай быстро понял, что в армию он попал по собственному недомыслию. Воспользовавшись известием о тяжелой болезни отца (он находился при смерти), Семёнов в августе 1918 года добился отпуска в Самару. Там он устроил себе перевод во вновь формирующуюся Уфимскую батарею, но поехал не в Уфу, а в Томск, дезертировав таким образом из Белой армии.

Томск был выбран не случайно: в то время это был единственный университетский город Сибири, и Семёнов надеялся заняться там наукой, используя полученные в Петербурге обширные знания в области физики. Так и случилось. Заведующий кафедрой физики Томского технологического института Борис Петрович Вейнберг предоставил молодому ученому возможность работать в лабораториях института. А с декабря Семёнов стал также преподавать на кафедре физики в Томском университете. Там Семёнов сделал несколько полностью самостоятельных научных работ. Он организовал при Технологическом институте постоянно действующий научный семинар, руководил работами наиболее талантливых студентов.

В сентябре 1919 года Семёнов был мобилизован в армию Колчака. Но ему снова повезло: благодаря хлопотам Вейнберга он был переведен в радиобатальон, откуда сразу же откомандирован в Технологический институт, где и продолжал научную работу. В декабре в Томск вошли части Красной армии, радиобатальон оказался в ее составе, и по ходатайству университета Семёнов распоряжением коменданта Томска был наконец официально отчислен из армии. До мая 1920 года он продолжал научную и преподавательскую работу, а затем, уже хлопотами Иоффе, только что ставшего академиком, переехал на работу в Петроград. Этот «белогвардейский» эпизод был хорошо известен «органам», а самого Николая Николаевича многие годы держал в напряжении, особенно в годы сталинских репрессий. Известно, например, что в 1937 году в Ленинграде было сфабриковано дело о «фашистско-террористической организации». В ее вместе с известными физиками, в числе которых были знаменитые Виктор Амазаспович Амбарцумян, Лев Давидович Ландау, Владимир Александрович Фок и Яков Ильич Френкель, должны были войти также математик Николай Иванович Мусхелишвили и физико-химик Семёнов. Большинство «заговорщиков» было арестовано. Почему уцелели Френкель, Семёнов, Амбарцумян и Мусхелишвили — неясно. Возможно, «органы» уже выполнили свой «план».

В Петрограде 24-летний Семёнов был назначен заведующим лабораторией электронных явлений физико-технического отдела Рентгенологического и радиологического института (с 1921 года — знаменитый Ленинградский Физтех, основателем и первым директором которого стал Иоффе).

В 1921 году Семёнов вместе со своим однокурсником Петром Капицей заказали знаменитому художнику Кустодиеву свой портрет. Капица сказал Кустодиеву: «Вот Вы всё пишете портреты знаменитых людей. А почему бы Вам не нарисовать нас, будущих знаменитостей?» Борис Михайлович в ответ поинтересовался, не собираются молодые люди стать нобелевскими лауреатами, на что мгновенно получил безапелляционный положительный ответ. Художник согласился принять заказ, отложив незаконченный портрет Шаляпина. На полотне Капица держит курительную трубку, а Семёнов — рентгеновскую В тот год Капица налаживал одному мельнику его водяную мельницу, за что получил два мешка муки и петуха. В то голодное время это была царская плата! Один из этих мешков с петухом в придачу и был преподнесен Кустодиеву в качестве гонорара.

Семёнов и Капица. Портрет работы Кустодиева. 1921 год

Семёнов и Капица. Портрет работы Кустодиева. 1921 год

В 1921 году в молодого Семёнова влюбилась сотрудница университета Мария Исидоровна Борейша-Ливеровская. Она была матерью четверых детей, старше Николая Николаевича на 17 лет. Ради Семёнова она оставила семью. Брак был счастливым, но недолгим: вскоре супруга ученого умерла от рака. Смерть ускорила неверно рассчитанная врачами доза облучения.

В 1924 году Семёнов женился второй раз — на племяннице Марии Исидоровны, Наталье Николаевне Бурцевой. В браке родились двое детей, Юрий и Людмила. Наталья Николаевна очень помогала мужу в зарубежных поездках. Она владела английским, французским и немецким, тогда как сам Семёнов не говорил ни на одном из них, хотя свободно читал специальную литературу.

В 1920-е годы в лаборатории Семёнова начали изучать процессы, которые привели к выдающемуся открытию. За 10 лет до этого, в 1913 году, один из основоположников химической кинетики немецкий химик Макс Боденштейн на примере фотохимической реакции водорода с хлором открыл цепные процессы. Оказалось, что всего один квант света приводит к образованию сотен тысяч молекул HCl. Однако то, что обнаружили в лаборатории Семёнова, очень сильно отличалось от описанной Боденштейном реакции.

В 1924 году у Семёнова начала работать выпускница химического факультета университета Зинаида Францевна Вальта. Ее руководителем был назначен двадцатилетний Юлий Харитон (в будущем академик, один из руководителей советского атомного проекта). И вот в конце 1924 года Вальта и Харитон, измеряя интенсивность свечения паров фосфора при их окислении кислородом, натолкнулись на совершенно неожиданное явление. При малых давлениях реакция не шла даже в течение суток. Но если давление кислорода превышало некий предел, вдруг появлялось свечение. Более того, свечение мог вызвать даже инертный аргон! Для любого химика это было уже настоящим чудом. Был обнаружен и второй (верхний) предел давления, выше которого реакция не шла. Было ясно, что эта реакция цепная. Однако ее поведение противоречило всем существовавшим тогда представлениям о механизмах и скоростях химических реакций. Спустя много лет Семёнов, называя эти явления капризами природы, сказал: «В физике, как известно, капризов“ практически нет, в то же время биология полна ими. Химия занимает промежуточное положение: иногда реакция течет нормально, а иногда — сплошные капризы“. Цепная теория — это ”теория капризов“ химического превращения…».

Результаты экспериментов, полученных Харитоном и Вальтой, без какой-либо попытки их объяснения, были опубликованы в 1926 году в немецком журнале Zeitschrift für Physik. Последствия были быстры и неутешительны: работа подверглась крайне острой критике со стороны знаменитого Боденштейна. В короткой заметке, опубликованной в том же журнале в 1927 году, он написал, что все результаты по окислению фосфора являются не открытием, а иллюзией, и указал даже на ее возможные причины. Например, неправильную конструкцию установки, в которой проводились опыты.

Возражения были очень серьезны. Требовалась тщательная проверка экспериментов. Однако авторы статьи уже не работали в лаборатории Семёнова: Зина Вальта перешла на работу в геофизическую лабораторию, а Юлий Харитон был в командировке в Кембридже; именно там он и увидел в только что пришедшем из Германии номере журнала статью Боденштейна и написал об этом Семёнову. Пришлось Николаю Николаевичу самому заняться окислением фосфора. В этом ему помогал блестящий экспериментатор, будущий академик Александр Иосифович Шальников. Проверка показала правильность первой публикации. Более того, были получены новые, не менее «еретические» данные. Оказалось, например, что критическое давление кислорода сильно зависит от таких неожиданных факторов, как форма и размер реакционного сосуда и даже материал его стенок. Семёнов в течение всего нескольких месяцев сумел создать математическую теорию этого явления. Как вспоминал Юрий Борисович Харитон, «у Н. Н. фантазия работала с редкой интенсивностью», а «интуиция была поразительной». В итоге Семёнов опубликовал свою теорию вместе с новыми экспериментальными данными в статье, которая появилась в 1927 году в том же журнале и практически с тем же названием. Семёнов понял, что в его лаборатории был открыт новый тип химический превращений — разветвленные цепные реакции. Боденштейн же снял свои возражения и признал открытие, причем сделал это публично. Одновременно и независимо в этом же направлении начал работать в Англии Сирил Норманн Хиншелвуд (1897–1967). В обеих лабораториях критические явления были обнаружены в реакциях горения водорода и ряда других веществ.

Семёнов и Хиншелвуд предложили механизм изученных реакций в предположении о разветвляющихся цепях: на одну исчезнувшую активную частицу образуются две или более новых. В результате число активных частиц стремительно нарастает (цепи разветвляются), и, если скорость обрыва цепей недостаточно велика, реакция очень быстро переходит во взрывной режим (при малых давлениях наблюдается вспышка). Такие реакции при больших давлениях вызывают разрушительные взрывы. Лавина разветвленно-цепной реакции очень быстро заканчивается: спустя доли секунды после ее начала для продолжения реакции уже не хватает исходных веществ. Похожее явление происходит при атомном взрыве: когда нейтрон расщепляет одно ядро, то одновременно выделяется более одного нейтрона, которые расщепляют другие ядра. По «разветвленно-цепному механизму» распространяются и различные слухи, если каждый узнавший новость расскажет ее более чем одному человеку. Так же быстро распространяются, но и быстро заканчиваются разнообразные «разветвленно-цепные» финансовые и прочие пирамиды.

Илья Леенсон

Окончание статьи см. в следующем номере.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

 
 

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

 

Добавить комментарий