Полуостров воспламенения для смеси водорода и кислорода.

Два типа лавин по Семёнову.

вместо одного атома водорода возни­кают три свободных радикала (два атома водорода и гидроксил). Число активных центров стремительно на­растает — цепи разветвляются, и, если скорость обрыва цепей недоста­точно велика, реакция очень быстро переходит во взрывной режим (при небольшом давлении наблюдается только вспышка). Такие реакции, иду­щие с увеличением числа активных частиц, назвали разветвлённо-цепными. По своему характеру они весь­ма напоминают явления, не имеющие никакого отношения к химии, напри­мер... распространение сплетен.

Оба учёных дали объяснение и необычным характеристикам разветвлённо-цепных реакций. При низ­ких давлениях большинство актив­ных частиц, не успев столкнуться с молекулами реагентов и «размно­житься», долетают до стенки реакци­онного сосуда и «погибают» на них — цепи обрываются. Чем меньше диа­метр колбы, тем больше у радикалов шансов достичь её стенок. Вот откуда зависимость от размеров сосуда! С повышением концентрации (давле­ния) шансов столкнуться с молекула­ми реагентов для радикалов стано­вится больше — возникает лавина реакций. Поэтому существует ниж­ний предел по давлению. Молекулы инертного газа, по образному выра­жению Семёнова, «путаясь в ногах» у активной частицы, замедляют её дви­жение к стенке — вот секрет удиви­тельного влияния аргона на величи­ну критического давления.

Когда же достигается верхний пре­дел по давлению, цепи снова обрыва­ются быстрее, чем происходит их разветвление. Однако причина обры­ва здесь иная: активные радикалы ис­чезают из-за «взаимного уничтоже­ния» — рекомбинации в объёме сосуда (скорость этой реакции очень быстро увеличивается с ростом давления).

Вскоре Боденштейн написал Се­мёнову, что, как ни удивительны его результаты, больше нельзя в них со­мневаться, — и предложил в даль­нейшем печататься в его «Журнале

ЧТО ОБЩЕГО

У ГОРЕНИЯ ВОДОРОДА

И АТОМНОЙ БОМБЫ

Широкой публике понятие «цепная ре­акция» стало известно в 1945 г. в свя­зи с работами физиков по получению ядерной энергии, после взрыва первых атомных бомб. Оказалось, что деление урана, плутония, других расщепляющихся материалов подчиняется тем же закономерностям, что и разветвлённо-цепные химические реакции.

На занятиях студентам часто пока­зывают взрывы смесей водорода с хлором или кислородом. А как можно продемонстрировать разветвлённо-цепную реакцию деления урана? Эта реакция вызывается активными час­тицами — нейтронами, которые расщепляют ядра урана с выделением огромной энергии. Разветвление цепи происходит за счёт того, что при рас­паде ядра выделяются несколько ней­тронов, способных к расщеплению новых ядер.

Остроумную модель «атомной бом­бы из мышеловок» построили на кафед­ре физики Московского энергетическо­го института. Аля этого взяли полсотни мышеловок, изображавших атомы. Роль нейтронов в них выполняли «приманки» в виде медных шайб, один из краёв ко­торых был срезан. Мышеловки распола­гали поблизости друг от друга и на каж­дую после взвода пружины клали по два «нейтрона». Если бросить шайбу на од­ну из мышеловок, она срабатывает, подбрасывая два «нейтрона». Те, в свою очередь, могут разрядить ещё две мышеловки, высвобождая уже четыре «нейтрона». Так наглядно моделирует­ся размножение активных частиц в хо­де ядерного взрыва.

Остаётся объяснить, почему для «нейтронов» была выбрана столь не­обычная форма шайб. Ответ прост: круглые (без среза) шайбы при «ядер­ном взрыве», как правило, закатыва­лись в труднодоступные места, и пос­ле завершения опыта приходилось их долго искать...

«И КАК БОМБА РАЗРЫВАЯСЬ...»

Клевета вначале сладко,

ветерочком чуть порхает,

и, как будто бы украдкой,

слух людской едва ласкает,

и журчит, как ручеёк...

Всё сильнее с каждым часом

возникает толкованье,

вот гремит уж общим гласом,

стало общим клеветанье;

вот, как буря, разразилось,

загремело, покатилось

неудержною волной.

Гул сильней всё нарастает,

в ужасе трепещут люди...

И, как бомба разрываясь,

и, как бомба разрываясь,

клевета всё потрясает,

и колеблет мир земной.

Этот фрагмент арии Дона Базилио из оперы Дж. Россини «Севильский ци­рюльник» может служить прекрасной иллюстрацией к особенностям раз­ветвлённых цепных процессов: «взры­вом бомбы» заканчивается цепная реакция распространения сплетен в городе.

А вот какое сравнение нашёл для скорости цепного процесса замеча­тельный популяризатор науки Яков Исидорович Перельман в книге «Живая математика»: «В небольшой городок с 50-тысячным населением приехал в восемь часов утра житель столицы и

привёз свежую, всем интересную но­вость. В доме, где приезжий остановил­ся, он сообщил новость только трём местным жителям; это заняло, ска­жем, четверть часа... Если слух распро­страняется по городу и далее таким же способом... то ранее чем в половине одиннадцатого дня поголовно все жи­тели города будут осведомлены о но­вости, которая в восемь часов утра из­вестна была только одному человеку».

Если учесть, что для реакции каж­дой активной частицы с молекулой исходного вещества требуется не чет­верть часа, а миллиардные доли секун­ды (при атмосферном давлении), то легко понять, почему разветвлённо-цепные реакции при больших концен­трациях (давлениях) реагентов приво­дят к взрывам.

Важно отметить, что лавина разветвлённо-цепной реакции быстро заканчивается: спустя доли секунды после её начала для продолжения реак­ции уже не хватает исходных ве­ществ — все они превратились в про­дукты реакции. И здесь наблюдаем известную аналогию: так же, как слухи и сплетни, быстро распространяются, но и быстро заканчиваются разно­образные «разветвлённо-цепные» фи­нансовые пирамиды (типа знаменитых «Властелины», «МММ», «писем сча­стья»), различные «заманчивые» пред­ложения за 100 рублей заработать 100 тыс. и т. п. На первый взгляд всё выглядит честно: покупатель оплачивает, например, только пятую часть сто­имости автомобиля, а остальные день­ги вносят привлечённые им новые по­купатели — числом четыре. Те для оправдания затрат и получения маши­ны должны в свою очередь найти ещё четырёх потенциальных покупателей и т. л. Подобные финансовые аферы, писал Перельман, ещё в XIX в. были в ходу в разных странах; во Франции их называли снежным комом, у нас — ла­виной. Действительно, для продолже­ния «коммерции» вскоре попросту пе­рестаёт хватать новых покупателей. По словам Перельмана, «фирма уст­ройством лавины... принуждает 4/5 на­селения оплачивать товар, приобрета­емый остальною 1/5 частью населения; иными словами — заставляет четырёх граждан облагодетельствовать пятого».

физической химии». А в 1956 г. Н. Н. Семёнов и С. Хиншелвуд полу­чили Нобелевскую премию «за иссле­дования механизма химических ре­акций». Это был первый (и пока единственный) случай присуждения Нобелевской премии по химии рос­сийскому учёному...

Наличие верхнего и нижнего пре­делов по давлению означает, что сме­си кислорода с водородом, метаном, другими горючими газами взрывают­ся лишь при их определённых соот­ношениях. Например, смесь водоро­да с воздухом взрывоопасна, когда содержит от 4 до 75 % водорода, а

смесь метана с воздухом — 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.

ВОЗРОЖДЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Высказанное Боденштейном и други­ми химиками предположение об энергетических цепях не получило экспериментального подтверждения

и было на многие десятилетия забыто. Но вот в 1963 г. советские учёные В. И. Веденеев, А. М. Чайкин и А Е. Ши­лов обнаружили, что энергетические разветвления возможны в реакциях фторирования ряда соединений.

Для примера рассмотрим реак­цию фтора с водородом. В ней на ста­дии продолжения цепи Н^•+F₂®HF*+F^• выделяется так много энергии, что образующаяся «горя­чая» молекула HF* способна вызвать разветвление цепи. Переносчиком энергии при этом является молекула водорода. Механизм реакции таков:

Подобное энергетическое разветвле­ние цепи позволило создать химиче­ский фторводородный лазер, в нём источником возбуждённых молекул служит энергия химической реакции.

В заключение приведём слова, сказан­ные академиком Н. Н. Семёновым при вручении ему Нобелевской премии 11 декабря 1956 г.: «Эти работы яви­лись результатом упорного труда большого и дружного коллектива со­трудников, многие из которых явля­ются в настоящее время крупными учёными, руководителями отдельных направлений. Несомненно, что имен­но благодаря коллективности нашего труда, благодаря постоянной взаим­ной поддержке и в то же время лич­ной инициативе ряда членов нашего коллектива нам удалось достичь тех результатов, которые удостоены здесь такой высокой оценки. В создании этих работ, особенно в период ста­новления новых идей, большую роль играли плодотворные научные дис­куссии и дружественное соревнова­ние с зарубежными учёными, главным образом с сэром Сирилом Хиншелвудом. Мы на своём опыте могли убе­диться, что лишь объединёнными усилиями учёных разных стран созда­ются условия для действительно ус­пешного продвижения науки вперёд».