Информационно – научный альманах
Физик, ставший химиком:
Николай Николаевич Семёнов
(1896–1986)
В этом году 15 апреля исполнилось 125 лет со дня рождения крупнейшего отечественного ученого — Н. Н. Семёнова, 35 лет со дня его смерти и 65 лет со дня присуждения ему Нобелевской премии по химии — единственной в нашей стране в этой номинации.
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.
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 нее 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
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.
Семья Семеновых
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 ФранцевнаВальта. 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, полученные Харитоном и Вальтой, без какой-либо попытки их объяснения, были опубликованы в 1926 году в немецком журнале ZeitschriftfürPhysik. 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.
Н.Н. Семенов традиционно рассматривается как ученый, открывший разветвленные цепные реакции и давший теорию цепных реакций, а также теорию цепного и теплового взрыва. Слов нет, эти достижения Н.Н. Семенова неоспоримы и сами по себе очень значительны. Мы не должны при этом забывать, что Н.Н. Семенов фактически предвидел открытие и ядерных цепных реакций. Он сам и его ученики внесли большой вклад в осуществление ядерного проекта в СССР. Однако, как ни велики эти достижения, вклад Н.Н. Семенов в современную науку значительно шире, и развитие науки в XXI веке, несомненно, будет происходить под знаком Семеновских предвидений.
Еще в начале XX века Н.Н. Семенов пришел к выводу об огромной роли физики в развитии химии будущего. Его собственные научные открытия и весь ход развития науки XX века подтвердил это предвидение. В основе химических процессов лежат физические законы, управляющие образованием и разрывом связей, и для дальнейшего развития химии необходимо понять эти законы. Появилась новая наука — химическая физика, одним из основных создателей которой был Н.Н. Семенов. Он много сделал для внедрения физического мышления в умы химиков. Конечно, традиционное развитие химии по пути создания эмпирических зависимостей продолжалось и в XX веке. Однако, химическая физика постепенно становилась и уже стала теоретической основой всей химии и дальнейшее развитие химии немыслимо без этой ее теоретической основы.
Во второй половине XX века Н.Н. Семенов выдвинул как главную перспективу развития химии ее взаимодействие с биологией, которое должно обогатить обе науки. Химическая физика все более охватывает химические процессы в биологических системах, становится теоретической основой науки о жизни. Возникает новая наука, биохимическая физика, которая в XXI веке должна стать одной из основных, если не основной в понимании молекулярных механизмов процессов, происходящих в живых организмах. Не случайно эта наука возникла именно в России, и ее дальнейшее развитие, несомненно, будет связано с именем Н.Н. Семенова и именами его учеников. Предвидение Н.Н. Семенова о необходимости тесного взаимодействия трех наук — физики, химии и биологии (естественно дополненное союзом с математикой), как важнейшего научного направления для будущего существования человечества, полностью сбывается в наши дни. Наука о жизни становится важнейшей в последующем развитии естественных наук, и она будет развиваться в XXI веке под знаком Семеновских идей.
Н.Н. Семенов любил работать с молодежью и придавал этой работе огромное значение. Он руководил кафедрой химической кинетики Московского государственного университета, был одним из основателей Московского физико-технического института. Он создал замечательную «семеновскую школу», которая приобрела мировую славу и добилась выдающихся достижений. Своим учителем Н.Н. Семенова считали не только те, кто работал с ним рядом, но и очень многие ученые России и других стран, знавшие его труды и слушавшие его выступления, в том числе даже и некоторые Нобелевские лауреаты. Наконец, он был интереснейшей личностью, глубоко чувствовал искусство и художественную литературу, интересовался философией. Он любил слушать людей и сам увлеченно рассказывал о событиях своей жизни, научных открытиях, исторических личностях. Сказать, что он умел слушать с неподдельным интересом, значит не сказать ничего. Это умеют многие. Но так живо включаться в дело, входя во все детали, нетерпеливо ждать нового результата, не давая покоя ученикам, из известных мне людей мог только Н.Н. Семенов.
Умение предвидеть роль физики в развитии химии XX века, осознать исключительную роль биологии в будущем развитии химии, способность самому погружаться в решение важнейших проблем, воодушевлять учеников и сотрудников — все это характеризует Н.Н. Семёнова как уникальное явление в отечественной и мировой науке.
В 1956 году 60-летний Николай Семёнов и 59-летний СирилХиншелвуд (CyrilHinshelwood) за свои исследования механизма химических реакций, проведенные в конце 1920-х и 1930-х годах, получили Нобелевскую премию по химии. Денежный приз был разделен на две равные части.
Николай Семёнов и СирилХиншелвуд дали такое объяснение критическим явлениям в разветвленно-цепных химических реакциях: при низких давлениях большинство активных частиц — атомов, осколков молекул, не успев столкнуться с молекулами реагентов и «размножиться», долетают до стенки реакционного сосуда и «погибают» на них — цепи обрываются. Чем меньше диаметр сосуда, тем больше у активных частиц шансов достичь его стенок. Вот откуда зависимость от размеров сосуда! С повышением давления, даже за счет инертного аргона, шансов столкнуться с молекулами реагентов и «размножиться» у активных частиц становится больше, чем шансов достичь стенки, — возникает лавина реакций. Это объясняет существование нижнего предела по давлению.
Молекулы инертного газа, по меткому выражению Семёнова, «путаясь в ногах» у активной частицы, замедляют ее движение к стенке; так объясняется удивительное влияние аргона на величину критического давления. Когда же достигается верхний предел по давлению, цепи снова обрываются быстрее, чем происходит их разветвление. Однако причина обрыва цепей здесь иная: активные частицы исчезают в результате «взаимного уничтожения» — рекомбинации в объеме сосуда при тройных столкновениях (третья частица нужна для отвода лишней энергии; скорость этой реакции очень быстро увеличивается с ростом давления). Таким образом, все экспериментальные факты получили логичное объяснение.
Теория разветвленно-цепных реакций имеет большое практическое значение, так как объясняет поведение многих промышленно важных процессов, таких как горение, крекинг нефти, воспламенение горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания и т. п. Например, смеси метана с воздухом взрываются при содержании метана от 5 до 15%. Вот почему так опасны утечки газа: если метана в воздухе окажется больше 5%, взрыв может наступить даже от крошечной искры в выключателе при включении или выключении света на кухне.
Но переместимся на несколько десятилетий назад. В 1927 году Семёнов был назначен руководителем химико-физического сектора Ленинградского физико-технического института, а в 1928 году стал его профессором. В 1931 году сектор был преобразован в Институт химической физики АН СССР, бессменным руководителем которого Семёнов оставался в течение 55 лет, до конца своей жизни. Он гордился тем, что смог целиком укомплектовать новый институт своими учениками. Со временем ИХФ стал одной из ведущих научных организаций страны, в коллективе которой трудилось до 5 тыс. человек, решая фундаментальные и прикладные задачи по 600 темам!
В 1929 году Н. Н. Семёнов был избран членом-корреспондентом АН СССР, а в 1932 году стал академиком. В 1934 году он опубликовал монографию «Цепные реакции», в которой доказал, что многие химические реакции, включая реакцию полимеризации, осуществляются с помощью механизма цепной или разветвленной цепной реакции. Свой труд Семёнов посвятил «памяти Сванте Аррениуса и Якоба Вант-Гоффа». Это посвящение в послевоенные годы идеологических атак на науку послужило поводом для ожесточенных нападок на Семёнова, которого обвиняли в «низкопоклонстве перед буржуазными учеными». Книга на долгие годы стала настольной для многих химиков, изучающих механизмы химических реакций.
Уже в следующем году она была переведена (в значительно расширенном варианте) на английский язык. В 1986 году эта книга была переиздана на русском языке с многочисленными комментариями и дополнениями его учеников.
Во время войны Николай Николаевич, как и многие советские ученые, работал по оборонной тематике, связанной с вопросами горения и взрыва. Его работы и работы учеников его школы быстро получили мировую известность. Он разработал теорию теплового взрыва и горения газовых смесей; создал учение о распространении пламени, детонации, горении взрывчатых веществ. В 1943 году Институт химической физики был переведен из Ленинграда в Москву. Его сотрудники приняли активное участие в зарождающемся советском атомном проекте.
В послевоенные годы Семёнов и ряд других выдающихся ученых подверглись отвратительной травле со стороны группы «патриотически настроенных ученых, верных идеям марксизма-ленинизма», сплотившихся в этом постыдном деле вокруг одной из наиболее одиозных фигур тогдашнего физического факультета МГУ Н. С. Акулова.
В книге А. С. Сонина «"Физический идеализм": История одной идеологической кампании» автор так написал об этом: «Совершенно пасквильным было выступление профессора Н. С. Акулова. Иначе как доносом его назвать нельзя. И выступал с ним не малограмотный человек, а крупный ученый, хорошо осознающий последствия своих слов». Акулов обвинял Семёнова не только в философских ошибках и «низкопоклонстве перед Западом», но и в плагиате, в том, что все основные идеи были им взяты из работ Н. А. Шилова 1905 года (!). В своем письме в высокие инстанции Акулов писал про «преступления в области науки, которые систематически допускал в своей работе академик Семёнов».
В результате этой травли, а также из-за дружбы с опальным П. Л. КапицейСемёнову пришлось испытать большое унижение: в августе 1949 года его не допустили на полигон под Семипалатинском, где было проведено первое испытание советской атомной бомбы.
И это несмотря на то, что именно его институту было поручено создание этого полигона и десятки сотрудников Семёнова были на испытаниях. Более того, этим сотрудникам было запрещено что-либо рассказывать своему директору об испытаниях!
Травля Семёнова закончилась сразу же после смерти Сталина. А присуждение Нобелевской премии в 1956 году раз и навсегда прекратило и любые разговоры о «приоритете», и в корне изменило отношение к ученому со стороны властей. Вскоре его избрали академиком-секретарем Отделения химических наук АН СССР; фактически Семёнов стал главой химической науки в Академии. А через несколько лет он стал и вице-президентом Академии наук.Очередное, но уже приятное «приключение» ждало в начале 1970-х годов немолодого ученого в расцвете славы. Семёнов наконец решился уйти от жены к Л. Г. Щербаковой, с которой познакомился еще в 1956 году. Вот как об этом написала саратовская журналистка Светлана Шарова: «Конечно, он был уже женат, знаменит, имел взрослых детей и зарплату академика. И почему бы академику не иметь даму сердца на стороне? Лишь бы это не нарушало границ приличия. А приличия для людей известных определялись так: тихо — можно, громко, с разводом — нельзя. Как честный человек, Николай Николаевич решил оформить отношения с любимой женщиной. Квартиру, дачу и машину он оставлял прежней жене. По этому поводу даже собиралось совещание ЦК партии: разрешить или не разрешить Николаю Николаевичу развестись с супругой. И разрешили. Все, в общем-то, понимали Семёнова». Он ушел из дома в день своего рождения — 15 апреля 1971 года и вскоре женился.
Согласно нравам той поры ему пришлось согласовывать свой поступок с президентом Академии наук и с отделом науки ЦК КПСС. Третья жена Семёнова, химик-неорганик Лидия Григорьевна Щербакова, была намного моложе мужа. «Тридцатилетний период вместил 14 романтических лет рядом с Н. Н. и более 15 лет вместе с ним — как жена и друг», — написала она в очерке «Мой великий человек и друг»
Как отмечается на сайте ИХФ РАН, «даже в последние годы жизни Семёнов, по словам его коллег, оставался энтузиастом науки, творческой личностью, которую отличала бьющая через край энергия» Он умер 25 сентября 1986 года в Москве в возрасте 90 лет.