Из истории изучения колебательных реакций. Математическая теория колебаний в системах, аналогичных химическим реакциям, была опубликована еще в 1910 г. А. Лоткой он написал систему дифференциальных уравнений, из которой следовала возможность периодических режимов.
Лотка рассматривал взаимодействие жертв, например травоядных животных, и поедающих их хищников X и Y. Хищники поедают жертвы и размножаются концентрация Y растт, но до некоторого предела, когда численность жертв резко уменьшается, и хищники умирают от голода концентрация Y уменьшается. Тогда уцелевшие жертвы начинают размножаться концентрация X растт. Уцелевшие хищники вслед за этим также размножаются, концентрация Y снова растт, и так далее многократно.
Наблюдаются периодические колебания концентрации реагентов. Ясно, что условием таких незатухающих длительное время колебаний является изобилие травы пищи жертв. Уравнения Лотки усовершенствовал В. Вольтерра. А современную теорию колебаний разработали российские физики Л. И. Мандельштамм, А. А. Андронов, А. А. Витт, С. Э. Хайкин, Д. А. Франк-Каменецкий. Так что для физиков и математиков открытие Белоусова не было удивительным.
Реакцию Белоусова, как отмечено выше, детально изучил А. М. Жаботинский и его коллеги. Они заменили лимонную кислоту малоновой. Окисление малоновой кислоты не сопровождается образованием пузырьков СО2, поэтому изменение окраски раствора можно без помех регистрировать фотоэлектрическими приборами. В дальнейшем оказалось, что ферроин и без церия служит катализатором этой реакции. Б. П. Белоусов уже в первых опытах заметил ещ одно замечательное свойство своей реакции при прекращении перемешивания изменение окраски в растворе распространяется волнами.
Колба становится похожей на зебру рис 1.1 говорил Белоусов. Это распространение химических колебаний в пространстве стало особенно наглядным, когда в 1970 г. А. М. Жаботинский и А. Н. Заикин налили реакционную смесь тонким слоем в чашку Петри. В чашке образуются причудливые фигуры концентрические окружности, спирали, вихри, распространяющиеся со скоростью около 1 мммин рис 1.2. Химические волны имеют ряд необычных свойств.
Так, при столкновении они гасятся и не могут проходить сквозь друг друга. В то же время обычные волны, такие, как волны на поверхности волны или электромагнитные волны, при столкновении испытывают интерференцию, но остаются неизменными после столкновения. Другое уникальное свойство наличие спиралевидных источников химических волн. Прошло много десятилетий с момента открытия этой реакции Белоусовым, а е исследованием по-прежнему заняты многие лаборатории в разных странах.
Это объясняется весьма общим характером явлений колебаний и распространения волн в самых разных системах. Так распространяется волна возбуждения по нерву, по сердечной мышце, вызывая ритмичные сокращения. Так распространяется зона активности при поверхностном катализе в промышленных химических установках, в активных средах, когда вслед за проходящей волной через некоторое время восстанавливается способность системы к новому возбуждению. В чашке Петри с активной химической средой можно изучать общие свойства таких процессов. 2.4