Виорель Ломов - 100 великих научных достижений России
На первый взгляд большой разницы между физической химией и химической физикой нет. Но это, конечно, только на первый взгляд – для людей особо не отягощенных естественно-научным образованием. Впрочем, даже они наверняка слышали о таинственных алхимиках, которые и занимались на стыке средневековой науки и искусства «физической химией», а попросту – «химичили». Так вот, никакого отношения к нашему предмету это не имеет. Первым этот термин ввел в 1752 г. М.В. Ломоносов, назвав свои лекции «Курсом истинной физической химии». Это направление «наше всё» определил так: «Физическая химия – наука, которая должна на основании положений и опытов физических объяснить причину того, что происходит через химические операции в сложных телах». (Сегодня определение сократили до «науки об общих законах физики и химии».)
Получив методологическое основание, физическая химия развивалась и обогащалась, пока в 1930-х гг. от нее не отпочковалась самостоятельная ветвь – «химическая физика». Это направление узурпировало часть функций родоначальницы и занялось изучением физических законов, управляющих строением и превращением химических веществ. «Предметом физической химии (классической) является суммарное рассмотрение химических процессов, протекающих с одновременным участием множества частиц, тогда как предметом химической физики – рассмотрение отдельных частиц и взаимодействий между ними, то есть элементарных процессов».
Термин обязан своим рождением немецкому физико-химику А. Эйкену, выпустившему в 1930 г. «Учебник химической физики». (Справедливости ради стоит отметить, что за 3 года до этого вышла книга советских ученых В.Н. Кондратьева, Н.Н. Семенова и Ю.Б. Харитона «Электронная химия», в которой была изложена суть науки, не получившей еще своего названия.) Сама наука возникла не по прихоти ученых, а вследствие появления квантовой механики с ее представлениями, теории химической связи, открытия межмолекулярных взаимодействий и реакционной способности молекул.
Н.Н. Семенов
Спрос на новую отрасль знания оказался столь велик, что уже в 1931 г. у нас был организован Институт химической физики АН СССР, а в США с 1933 г. стал издаваться «Journal of Chemical Physics» («Журнал химической физики»).
Пограничная область между химией и новыми разделами физики, вобравшая в себя последние научные достижения, получила быстрое развитие – в первую очередь благодаря открытию и изучению ранее неизвестные типов химических реакций. В частности, теории разветвленных цепных реакций, которую независимо друг от друга развивали в 1920–1930-е гг. советский ученый Н.Н. Семенов и английский физико-химик С.Н. Хиншвулд. В 1956 г. оба исследователя были удостоены Нобелевской премии по химии (к слову, из российских химиков Семенов – единственный лауреат по этой номинации) – «за исследования в области механизма химических реакций». Разработанная Семеновым теория цепных химических реакций легла в основу создания полимеров – веществ с заранее заданными свойствами, химических лазеров и др.
(Цепными реакциями называют сложные реакции, в которых промежуточные активные частицы, регенерируясь в каждом элементарном акте, вызывают цепь превращений исходного вещества. Различают химические цепные реакции (горение, полимеризация) и ядерные. В первых активными частицами выступают свободные радикалы, возбужденные атомы и молекулы, во вторых – нейтроны.)
Опубликованная в 1934 г. Семеновым монография «Цепные реакции» закрепила за ним и руководимым им Институтом химической физики роль мирового лидера в области химической кинетики.
Еще одним шагом по развитию новой науки стало создание Семеновым теории теплового взрыва газовых смесей (самовоспламенения), впервые изложенной в его статье «К теории процессов горения» (1928). На основе этой теории химик в дальнейшем построил учение о распространении пламени, детонации, горении взрывчатых веществ и порохов.
Предыдущие открытия априори подготовили Семенова к участию в ядерном проекте. В 1945 г. Николай Николаевич сам обратился к правительству с предложением участвовать в работах по созданию атомного оружия. Институт химической физики успешно участвовал в расчетах, измерении констант, подготовке полигона и оборудования для испытаний.
В 1955 г. Семенов сделал очередное выдающееся открытие: новый тип катализа – ионно-гетерогенный. Ученым и его учениками была развита цепная теория гетерогенного катализа, разработаны статистическая теория каталитической активности, теория топохимических процессов и кристаллизации.
Во второй половине XX в. Семенов стал инициатором нового направления развития химической физики – биологического. В результате за несколько десятилетий химическая физика стала теоретической основой науки о жизни, и на слиянии ее и биологии возникла новая наука – биохимическая физика, которая по прогнозам (академик А.Е. Шилов) в нашем веке должна стать основной в понимании молекулярных механизмов процессов, происходящих в живых организмах.
Н.Н. Семенов создал знаменитую семеновскую научную школу химической физики и воспитал блестящую плеяду учеников, ставших академиками: В.Н. Кондратьева, Л.Б. Зельдовича, Ю.Б. Харитона, В.В. Воеводского, В.И. Гольданского, Н.С. Ениколопова, Н.М. Эмануэля, А.И. Шальникова, А.Е. Шилова, Д.Г. Кнорре, М.А. Садовского, А.Б. Налбандяна и многих других.
Современный этап в развитии химической физики характеризуется широким применением масс-спектрометрии, рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии, ядерного магнитного резонанса, метода спинового эха, электронографии и ионографии, ударно-волновых и десятков, если не сотен других методов теоретической и экспериментальной физики.
Химическая физика нашла широчайшее применение в науке и технике. Она изучает процессы горения и взрыва, электронную структуру молекул и твердых тел, элементарные акты химических реакций, молекулярные спектры и т. д. В ней сегодня выделились два основных направления: «определение электронной и атомно-молекулярной структуры химических частиц и образованных ими веществ и исследования, связанные с решением проблем химической динамики, то есть изменений во времени энергетических и структурных характеристик частиц».
Ныне получили дальнейшее развитие многие разделы химической физики, разработанные Семеновым и его учениками – электрохимия и катализ, квантовая и ядерная химия; появилась химия низких температур и высоких энергий, фото– и плазмохимия, радиационная химия… Не забыта и прародительница этой науки – физическая химия.
Говорить о применении этой науки на практике можно много, но разве упомянутых полимеров, химических лазеров и атомной бомбы мало?
Геология, геофизика
КЛИМАТОЛОГИЯ ВОЕЙКОВА
Метеоролог-климатолог, географ, путешественник, популяризатор науки; доктор философии Геттингенского университета, почетный доктор физической географии Московского и профессор Петербургского университетов; член-корреспондент Петербургской АН, член многих русских и зарубежных научных обществ; организатор и председатель Метеорологической комиссии Русского географического общества (РГО); основатель и главный редактор первого метеорологического журнала «Метеорологический вестник»; организатор 12 специальных станций с расширенной программой сельскохозяйственных метеорологических наблюдений; редактор отдела географии Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона, один из инициаторов и организаторов специального географического высшего образования, первый директор Высших географических курсов; глава Петербургского вегетарианского общества; обладатель большой золотой медали РГО и золотой медали Всемирной выставки в Париже 1878 г., Александр Иванович Воейков (1842–1916) является основоположником климатологии в России.
Если бы потребовалось назвать из великих русских ученых самого доброго и отзывчивого, кандидатом № 1 наверняка бы стал Александр Иванович Воейков. Это был скромный вечный труженик-бессребреник и потому, наверное, свободный человек.
А.И. Воейков – из когорты русских ученых-естественников (Н.И. Вавилов, В.А. Обручев), которые не только исходили мир, но и оставили миру свои фундаментальные научные исследования, составившие гордость России.
«Долго ль мне гулять на свете / То в коляске, то верхом, / То в кибитке, то в карете, / То в телеге, то пешком?» – эти строки явно о Воейкове. Легче назвать, где не «погулял» путешественник, чем перечислить места, которые Александр Иванович видел собственными глазами. Во всяком случае, на корабле он обогнул земной шар и посетил Западную и Восточную Европу, Ближний Восток, Северную, Центральную и Южную Америку, Южную, Переднюю и Юго-Восточную Азию, Европейскую часть России, Кавказ, Южный Урал, Крым, Среднюю Азию… В некоторых регионах он побывал не раз и не два, и не в одном, а в десятках мест.
