Николай Николаевич Семенов

Академик H. H. Семенов - один из наиболее ярких представителей советской науки, внесший неоценимый вклад в её становление и расцвет своими личными научными достижениями и неутомимой научно-организационной, педагогической и общественной деятельностью.

Николай Николаевич Семенов родился 15(3) апреля 1896 г. в Саратове. В 1917 г. он закончил физико-математический факультет Петроградского университета, затем работал преподавателем в Томском техническом институте и Томском университете. С 1920 г. H. H. Семенов полностью посвятил себя большой науке, став заведующим лабораторией, а затем заместителем директора Государственного физико-технического рентгеновского института (ГФТИ) в Ленинграде. 15 октября 1931 г. на базе возглавляемого им в этом институте сектора был создан Ленинградский научно-исследовательский институт химической физики АН СССР (ЛИХФ), и H. H. Семенов стал директором этого передового научного учреждения нашей страны. Уже в 1929 г. он был избран чл.-корр. АН СССР, а в 1932 г. академиком. С 1957 г. H. H. Семенов был академиком-секретарем отделения химических наук Академии наук СССР, а с 1963 по 1971 гг. - вице-президентом АН СССР. В настоящее время он член Президиума АН СССР, директор Института химической физики АН СССР (ИХФ) в Москве. За выдающуюся научную деятельность H. H Семенов дважды удостоен Государственных премий (1941 и 1949), звания Героя Социалистического Труда, 7 орденов Ленина, ордена Трудового Красного Знамени и медалей, избран членом многих зарубежных академий и научных обществ. В 1956 г. H. H. Семенов первым из советских ученых был удостоен Нобелевской премии по химии.

H. H. Семенов вел активную педагогическую деятельность в Ленинградском политехническом институте и в Московском государственном университете. Широкоизвестна работа H. H. Семенова на посту председателя правления Всесоюзного общества "Знание" (1960-1963). В 1961-1966 гг. он избирался кандидатом в члены ЦК КПСС, был депутатом Верховного Совета СССР 5-7 созывов. Таков в самых кратких чертах перечень основных дат жизни и деятельности одного из крупнейших ученых нашей страны.

Начало научной деятельности'Н. Н. Семенова совпало с бурным развитием физики. Не удивительно поэтому, что его увлечение химическими явлениями тесным образом переплеталось с интересом к теоретической и экспериментальной физике. Первую работу, посвященную анализу столкновений электронов с молекулами, он напечатал в "Журнале Русского физико-химического общества", будучи студентом 3 курса университета. Вторая студенческая работа (опубликованная в том же журнале) была посвящена вопросам прохождения электрического тока через газы.

Особое значение в формировании H. H. Семенова как ученого и организатора науки имела его встреча в Петроградском университете с А Ф. Иоффе, который был в то время приват-доцентом. С первых дней работы в ГФТИ Николай Николаевич стал ближайшим помощником А. Ф. Иоффе в сложном деле организации научно-исследовательского учреждения, одновременно активно проводя собственную научную работу. С 1920 г. лаборатория электронных явлений, которой руководил H. H. Семенов, развивала свою деятельность первоначально в трех направлениях: изучение электрических полей (по заданиям Глав-эяектро ВСНХ), молекулярной физики и электронных явлений; решались также прикладные задачи (электрическая разведка, теория и испытание электрических кабелей и изоляторов, исследование электрических полей анализ электрического пробоя в вакууме и другие). Особый интерес представляет выполненное в этот период исследование по созданию тепловой теории пробоя диэлектриков, физическая идея которой помогла впоследствии Николаю Николаевичу создать тепловую теорию процессов горения и взрывов.

В области молекулярной физики H. H. Семеновым был проведен ряд исследований молекулярного пучка, изучены явления критической температуры конденсации, совместной конденсации, адсорбции. Одновременно изучались реакции полимеризации и решались некоторые вопросы коллоидной химии. Большое внимание уделялось в лаборатории исследованию потенциалов ионизации паров металлов и солей. Здесь были выполнены важные работы, которые легли в основу современных представлений об электронном строении и динамике превращения молекул. Исследовались люминесценция, обмен энергией при столкновении электронов и ионов с молекулами, спектры молекул. Результаты экспериментов, выполненных в лаборатории и опубликованных Николаем Николаевичем в заметке "О некоторых химических реакциях" (1926), сыграли решающую роль в развитии его химических интересов. Речь идет об исследованиях реакции окисления паров фосфора. Было установлено, что при малых давлениях (меньше нескольких сотых долей мм рт. ст.) реакция не идет вовсе. Если же несколько поднять давление кислорода, то соединение его с парами фосфора происходит с воспламенением. Так, было показано существование "нижнего предела" давления кислорода, ниже которого реакция практически не идет, а выше которого развивается весьма бурно, вплоть до воспламенения смеси реагирующих веществ. Наряду с "критическим давлением" существует также некоторый "критический размер" реакционного сосуда.

Неожиданными оказались результаты опытов с добавками инертных газов. Добавка аргона позволяла, например, наблюдать воспламенение при давлениях кислорода, меньших критического. Этим были открыты новые явления, не укладывающиеся в рамки существовавших представлений о механизмах химических превращений, а именно: случаи поразительно резких переходов от почти полной инертности, неизменности смеси веществ, способных взаимодействовать, к бурной их реакции. Для объяснения этих явлений H. H. Семенов выдвинул идею о разветвленных цепных реакциях, ставшую вскоре чрезвычайно популярной. Если число разветвлений цепи превышает число обрывов, то реакция прогрессивно ускоряется благодаря возникновению все новых цепей, вплоть до воспламенения смеси реагирующих веществ ("цепной взрыв"). Николай Николаевич ввел представление об обрыве цепей на стенках; одновременно с С.Хиншелвудом им была развита теория обрыва цепей в объеме реакционного сосуда.

Полученные впоследствии четкие предельные явления при окислении паров серы, водорода, окиси углерода, сероуглерода и т. п. показали распространенность цепных разветвленных реакций. H. H. Семенов развил теорию цепных химических реакций. Само существование цепных реакций возможно вследствие возникновения в ходе ряда процессов свободных атомов и радикалов, являющихся активными центрами реакции. Высокая реакционная способность свободных атомов и радикалов (малая энергия активации) и неуничтожимость   свободной валентности при их взаимодействии с молекулами делают возможным существование цепи химических превращений. Яркий пример обрыва цепей на твердых поверхностях был дан при изучении цепной разветвленной реакции горения водорода. Еще более наглядным является следующий опыт. В сосуд вводится стерж-жень, затем впускается газовая смесь. Если давление, устанавливающееся в сосуде, выше нижнего предела для сосуда со стержнем, то смесь воспламеняется. Однако интенсивный обрыв цепей на стержне приводит к тому, что смесь выгорает не полностью. Поэтому, вытянув стержень из сосуда, можно наблюдать повторную вспышку невыгоревшего газа. Этот прием управления цепной реакцией по своему физическому смыслу аналогичен регулированию цепной ядерной реакции в атомном котле при помощи кадмиевых стержней. При рассмотрении роли сосуда в цепных реакциях Николай Николаевич не сводил ее только к обрыву цепей. Он считал, что на твердых поверхностях могут также происходить реакции зарождения и разветвления цепей, образование свободных радикалов, которые, вылетая с поверхности в объем, инициируют объемную цепную реакцию.

Весьма распространены случаи, когда цепное самоускорение осуществляется в течение длительного времени и не приводит к цепному воспламенению, например при окислении углеводородов в газовой и жидкой фазах. Такие процессы H. H. Семенов назвал реакциями "вырожденного взрыва". Основные теории цепных реакций изложены им в монографии "Цепные реакции" (1934). В 1935 г. ее перевод был издан в Англии. Этот фундаментальный труд H. H. Семенова стал настольной книгой всех ученых, работающих в области химической физики.

Под руководством Семенова в ЛИХФ был выполнен большой цикл работ по цепным реакциям, в результате которых институт возглавил соответствующие исследования в мировой науке. Был поставлен вопрос о необходимости химического обоснования цепного механизма, развернуты исследования активных центров и промежуточных веществ, изучена модельная цепная реакция окисления водорода. H. H. Семенов сделал важный вывод об образовании в ходе цепных разветвленных реакций высоких концентраций активных центров - свободных атомов и радикалов. Было найдено, что в ходе цепной разветвленной реакции окисления водород переходит в атомное состояние. Так были подтверждены выводы теории. В 1960 г. этот вывод цепной теории был подтвержден на новом уровне экспериментальной техники - с помощью метода электронного парамагнитного резонанса. При исследовании этим методом разреженных пламен смесей водорода с кислородом удалось зарегистрировать образование огромных количеств атомарного водорода, достигающих 15% от исходного количества молекулярного водорода (в смесях, богатых водородом).

В развитие общих представлений H. H. Семенова о цепном вырожденно-разветвленном механизме окисления углеводородов в ИХФ были развернуты широкие исследования кинетики и механизма цепного жидкофазного окисления органических веществ, в результате чего стало возможно промышленное получение альдегидов, кетонов, органических кислот, перекисей, сложных эфиров. Значительное развитие получили в последнее время работы в области гомогенного катализа цепных реакций как эффективного средства управления ими. При этом были открыты новые закономерности, в частности, наличие последовательности разделяющихся во времени макроскопических стадий при окислении газообразных углеводородов в присутствии гомогенных катализаторов. Особое значение приобрели исследования гомогенного катализа реакций в жидкой фазе. Гомогенные катализаторы, в первую очередь металлокомплексные соединения, оказались способными селективно проводить химические реакции при низких температурах. В этом смысле свойства металлокомплекс-ного катализа приближаются к возможностям катализа ферментами.

Настойчиво пропагандировал Николай Николаевич необходимость установления количественной связи между строением реагирующих веществ и их реакционной способностью с позиций химической кинетики. Под этт*м углом зрения была написана его монография "О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности" (1954, 1958). Эта монография снова дала толчок к развитию химической кинетики в весьма важном "химическом" направлении.

Со свойственным ему чувством нового горячо отозвался Николай Николаевич на общий подъем интереса ученых во всем мире к проблемам молекулярной биологии. В ЙХФ получили развитие исследования кинетических закономерностей развития ряда биологических процессов, методов оценки эффективности противоопухолевых и радиозащитных свойств химических соединений, кинетики и механизма ферментативного катализа, химической генетики. Во всех этих работах находят место и обеспечивают решающий успех кинетические методы.

В последнее время H. H. Семенов с сотрудниками изучает цепные реакции с энергетическими разветвлениями 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 цепных реакций с энергетическими разветвлениями создаются химические лазеры.

С именем H. H. Семенова связано во всем мире развитие исследования процессов горения и взрывов. Еще в 1928 г. 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. 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. Создана современная теория нормальной скорости распространения пламени, разрабатывается теория концентрационных пределов. Данные используются для определения скоростей быстрых реакций, протекающих в пламени при 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 этих работ явилась формулировка определяющего условия устойчивой детонации, которая возможна лишь в том случае, если время релаксации во фронте детонационной волны меньше времени разброса вещества под действием огромных давлений, развивающихся 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 было выполнено экспериментальное исследование, посвященное вопросам отражения и столкновения ударных волн. В дальнейшем получили завершение исследования по механическому действию ударной волны в воздухе, по зависимости максимального давления и импульса ударной волны от веса заряда и расстояния от места эзрыва.

Таким выглядит далеко не полный очерк многогранной деятельности академика H.H. Семенова - основоположника и руководителя отечественной школы химической физики. Влияние идей и теоретических взглядов H. H. Семенова на развитие всех направлений химической физики столь велико, что невозможно разграничить его прямые личные достижения от результатов, полученных его учениками, особенно в ИХФ АН СССР. Советская школа химической физики полностью обязана своим существованием и успехами таланту и неутомимой творческой активности своего руководителя - академика Николая Николаевича Семенова.

ЛИТЕРАТУРА

1.H. M. Эмануэль. Николай Николаевич Семенов. М. - Л., Изд-во АН СССР. 1946.
2. Н. М. Эмануэль. Вести. МГУ. Сер. матем., механ., астрон., физ., химии, № 1, 182 (1957).
3. В кн.: Пути в незнаемое М., "Советский писатель", 1960, с. 457.
4. О. Н. Писаржевский. В огне исканий (штрихи творческого портрета Н. Н. Семенова). М., "Советская Россия", 1965.
5. Ж. Физ. химии, 40, 753 (1966).
6. Н. М. Эмануэль Вести. АН СССР, 15, № 4, 93 (1966).
7. Николай Николаевич Семенов (материалы к библиографии ученых СССР. Серия хим. наук, вып. 38). М„ "Наука", 1966.
8. В кн.: Наука и человечество 1967 (международный ежегодник). М., "Знание", 1967, с. 212.
9. H. H. Семенов. Наука и общество (статьи и речи). М., "Наука", 1973.

Н. М. ЭМАНУЭЛЬ