Пенсионный советник

Как физик получил Нобелевскую премию по химии

120 лет назад родился единственный в стране лауреат Нобелевской премии по химии

Евгения Зайцева 15.04.2016, 18:42
Семенов Николай Николаевич LIFE
Семенов Николай Николаевич

120 лет назад родился великий советский ученый, единственный российский лауреат Нобелевской премии по химии Николай Семенов. Отдел науки «Газеты.Ru» рассказывает о жизни и достижениях выдающегося человека.

В 1921 году двое молодых ученых попросили Бориса Кустодиева, известного в то время художника, запечатлеть их на полотне. Просьба была сформулирована следующим образом: «Напишите наш портрет — портрет будущих знаменитостей». Прозвучавшие слова оказались пророческими — Петр Капица и Николай Семенов действительно стали выдающимися учеными и нобелевскими лауреатами, внесли огромный вклад в науку и основали один из ведущих технических вузов — Московский физтех (МФТИ).

Химические эксперименты и любовь к охоте

Николай Семёнов (справа) и Петр Капица (слева), портрет работы Кустодиева, 1921 Wikimedia
Николай Семёнов (справа) и Петр Капица (слева), портрет работы Кустодиева, 1921

Стокгольм, декабрь 1956 года. В центре внимания — высокий, стройный, красивый мужчина в черном фраке с орденами на груди. Возле него — прекрасная дама в вечернем серебристом платье с декольте. Поводом для выхода в свет стало постановление Нобелевского комитета о присуждении премии «за исследования в области механизма химических реакций» советскому ученому Николаю Семенову (совместно с британским коллегой Сирилом Хиншелвудом).

Николай Семенов родился 15 апреля 1896 года в городе Саратове Российской империи. Мать Елена Дмитриева — высокообразованная женщина, учитель математики. Отец Николай Семенов — профессиональный военный. Детство будущего ученого было счастливым: Николай Николаевич провел его в тесном общении с природой, что выразилось в любви к лошадям и страсти к охоте на протяжении всей жизни. Семейный бюджет позволял Семенову, будучи еще ребенком, ставить химические эксперименты непосредственно у себя дома. Его близкие вспоминали, что звуки взрывов в одной из комнат были слышны довольно часто. В доме всегда было много гостей, а постоянные дискуссии на разнообразные темы способствовали развитию общительности и самоутверждения молодого Семенова.

Будущий лауреат посещал училище с уклоном в естественные науки, а позже с отличием закончил физический факультет Петербургского университета.

Любовь к шарадам и мазурке

Николай Николаевич был многосторонней личностью. Он интересовался как деревенской жизнью во всех ее проявлениях, так и живописью, архитектурой. Несмотря на недостаток времени, Семенов очень много читал — в особенности исторические романы. И хотя он не отличался хорошим музыкальным слухом, любил петь в хоре в компании друзей. Его актерские качества замечательным образом проявлялись в шарадах — традиционном развлечении его близких и коллег. На институтских вечерах Николай Николаевич (даже в почтенном возрасте) блистательно исполнял мазурку.

В любой компании будущего лауреата воспринимали как обычного человека, любящего повеселиться от души. Он всегда довольно легко сходился с людьми и старался увидеть в них исключительно положительные стороны, а на недостатки вовсе не обращал внимания. Тем не менее при весьма обширном круге знакомств у Семенова было всего несколько близких друзей, к которым он обращался на «ты».

Семенов тщательно следил за временем, с пользой проводил каждую минуту своей жизни. В университете окно — а он уже успел на выставку сходить или прочесть пару свежих газет и журналов. Обладал завидным умением мгновенно переключаться на отдых, расслабляться и «отпускать» все тяжелые мысли. Был человеком исключительной доброты и отзывчивости.

«В конце 1948 года к Н.Н. были приставлены так называемые «секретари», а попросту говоря — охрана от МГБ, как это было тогда положено всем ведущим ученым, занятым атомной проблемой, — вспоминал зять Семенова. — Реакция охраняемых на появление секретарей была весьма разнообразной. Ландау пригрозил самоубийством. Зельдович не пускал своих секретарей в квартиру — и те проводили ночи на лестнице. В результате органам пришлось отказаться в обоих случаях от своих намерений. Совсем по-иному реагировал Семенов — человек по натуре очень общительный, он воспринял главным образом положительные стороны института секретарей. Один из трех секретарей — Павел Семенович Костиков — стал в дальнейшем подлинно близким человеком для всей семьи».

«Теории химии» в 15 лет

Своими «великими заочными учителями» Николай Николаевич считал нидерландского ученого Вант-Гоффа — одного из основоположников стереохимии (лауреата Нобелевской премии 1901 года), а также шведского ученого Аррениуса — одного из основателей физической химии (лауреата Нобелевской премии 1903 года). Книги этих великих деятелей науки «заставили заняться физикой со специальной задачей, научиться применять ее к химическим проблемам».

Труд Аррениуса «Теории химии», приобретенный 15-летним Николаем, сыграл решающую роль в его жизни.

«Он поразительным образом соединял в себе физика, владеющего идеями и аппаратом современной ему физики, и химика, знакомого с многообразием химических структур и превращений», — писал советский химик-органик Мартин Кабачник.

«Во всем сосуде появилось свечение»

Николай Семенов был удостоен Нобелевской премии за теорию разветвленных цепных реакций. Он и сам считал ее своим главным трудом.

Работа была написана в 1931–1934 годах и была переведена на английский язык.

Доподлинно известно, что неразветвленные цепные реакции с энергетическими цепями (фотохимические цепи) были открыты немецким химиком и физиком Максом Боденштейном. Однако в них никак не укладывались найденные самим Семеновым пределы воспламенения и иные критические явления, наблюдаемые при окислении паров фосфора, серы, а также ряда других веществ.

Юлий Борисович Харитон — советский и российский физик-теоретик, ученик Семенова, в своих воспоминаниях рассказывает о том, как готовилось великое открытие: «Николай Николаевич предложил мне заняться изучением окисления паров фосфора. В сосуд помещался кусочек фосфора (являющийся хорошим индикатором — светится в темноте), сосуд откачивался, тогда начинали пускать кислород. Когда фосфор был в вакууме, я стал пускать туда кислород и не наблюдал никакого свечения.

Давление повышалось, все было темно, и вдруг внезапно вспышка, и во всем сосуде появилось свечение».

Результаты эксперимента были опубликованы, но так бы и не сыскали должного внимания, если бы не один курьезный случай, произошедший с Юлием Борисовичем в Кембридже. Просматривая свежие журналы в библиотеке, Харитон заметил статью крупного немецкого химика Макса Боденштейна, в которой он подвергал сомнению полученные Юлием Борисовичем и 3. Ф. Вальтой (его коллегой) результаты, утверждая, что это всего лишь экспериментальная ошибка. Расстроенный критикой, Харитон немедленно написал об отзыве Боденштейна Семенову.

Тут же Николай Николаевич со своим коллегой Шильниковым ставят повторный опыт, в ходе которого были не только подтверждены полученные Харитоном и Вальтой результаты, но и обнаружены некоторые другие интересные эффекты (в частности, как показал опыт, критическое давление, при котором начиналась реакция фосфора с кислородом, зависит от размеров сосуда).

Семенову потребовалось всего несколько месяцев, чтобы построить стройную теорию механизма разветвленных цепных реакций.

«Все! Вот и разгадка»

Николай Николаевич писал: «Трудно сейчас точно вспомнить, какие мысли у меня бродили в голове перед тем, как вспыхнула догадка. По-видимому, я подумал: свойства свободных атомов в цепях Боденштейна аналогичны действию бактерий, которые как бы съедают исходные молекулы, превращая их в продукты реакции. И вдруг мысль: а ведь бактерии могут не только есть, но и размножаться. Стоп!!! А может быть, и свободные атомы и радикалы тоже способны к размножению? Все! Вот и разгадка!»

К Семенову пришло понимание, что рассмотренные реакции имеют разветвляющиеся цепи, что в процессе реакции выделяется некая энергия, способствующая возникновению сразу двух активных атомов. Таким образом, мы получаем уже две цепи, каждая из которых, в свою очередь, может вновь разветвиться, и так будет до тех пор, пока одна из активных молекул не попадет на стенку, не прилипнет к ней и оборвет тем самым цепь.

В 1927 году Николай Николаевич опубликует эту работу, которая послужит стартом огромной цепи исследований. Коллектив лаборатории также лавинообразно расширится.

Как говорил сам Семенов: «Теория цепной реакции открывает возможность ближе подойти к решению главной проблемы теоретической химии — связи между реакционной способностью и структурой частиц, вступающих в реакцию... Вряд ли можно в какой бы то ни было степени обогатить химическую технологию или даже добиться решающего успеха в биологии без этих знаний».

Однако теория разветвленных цепных реакций была далеко не единственным направлением деятельности Института химической физики. В 1946–1947 годах в тематику института вошли ядерные проблемы, направление, приведшее к созданию первого в СССР ядерного оружия. А уже в 1959–1961 годах институт начинает активно заниматься химией полимеров и кинетикой полимеризации.

Выдающийся организатор науки

Творя историю советской науки, Семенов руководствовался определенными принципами, многие из которых он вынес из «школы» своего научного руководителя Абрама Федоровича Иоффе, обыкновенно именуемого «отцом советской физики».

Позднее Николай Николаевич писал: «Мне посчастливилось — уже на втором курсе я встретился с профессором Иоффе, и он увлек меня своей эрудицией в новой физике, фейерверком своих идей, своим научным стремлением проникнуть в самую глубь механизма явлений природы.

Я сразу понял, что этот человек мне нужен как Учитель».

Для того чтобы повторить легкую и непринужденную атмосферу, каковой зачастую обладали вполне серьезные семинары Иоффе, Николай Николаевич позволял отпускать любые шутки в свой адрес, а ученики в любой момент могли быть осмеяны коллегами великого ученого.

Лучший друг Семенова советский физик Петр Леонидович Капица не переставал восхищаться исключительной щедростью приятеля к своим ученикам и институту. Николай Николаевич со всеми делился идеями, а если у кого-то появлялась своя собственная, искренне радовался и всячески помогал.

Николай Николаевич не был занудным всезнайкой — напротив, он считал, что чрезмерно обширные знания сковывают мысль, лишают ее свежего взгляда на возникающие научные задачи.

Большое значение Семенов придавал именно самостоятельной работе студентов: «Основным путем высшего образования для будущих научных работников и инженеров-исследователей я считаю путь самостоятельной научно-исследовательской работы и связанного с ней самообразования. Этот путь я назвал бы путем познания общего через частное. Творчески работая над частным исследованием, студент неизбежно соприкасается с общими проблемами науки, усваивает методику современного научного исследования. Приобретаемые при этом знания будут носить не пассивный, а максимально активный характер».

При этом Семенов был настойчив в своих решениях, мог подолгу спорить, используя весомую аргументацию. При этом он всегда внимательно слушал возражения и иногда неожиданно полностью соглашался с ними. Для Николая Николаевича главным было убедиться в правоте того или иного мнения, а кому оно принадлежало, было, в общем-то, неважно.

Могила Семёнова на Новодевичьем кладбище Москвы Сергей Семенов/Wikimedia
Могила Семёнова на Новодевичьем кладбище Москвы

Как говорил он сам: «…Истинный ученый должен быть не просто беспристрастным, но самым пристрастным критиком того, что ему дороже всего, — своей творческой работы, которой он посвятил много дней и ночей труда, радости, вдохновения. Он должен быть как бы врагом самому себе — в этом и трагедия, и величие ученого».

Многие сотрудники Института химической физики (ныне носящего имя Семенова) отмечают то, каким восхитительным он был директором. Никогда не выказывал своей начальственности перед подчиненными, всячески старался помочь, разделяя проблемы коллег и искренне радуясь их личным победам.

В качестве одного из основных требований успешного развития советской науки считал ее омоложение. Заслуженные деятели его института, состоявшиеся ученые, разъезжали по городам СССР в поисках активной молодежи.

Николай Николаевич вспоминал: «В 1931 году был создан под моим руководством новый институт (Институт химической физики), и я смог его целиком укомплектовать своими учениками. Странно подумать, что в 1920 году, получив приказ организовать лабораторию в Физико-техническом институте, я был один, а всего через десять лет, в 1931 году, у меня уже был коллектив из 50 подготовленных мною хороших, активных ученых».
Это стало возможным благодаря таланту Николая Николаевича как ученого, учителя и организатора.