Что такое взрыв? Почему он происходит? Что такое мощность взрывчатого вещества? Как ее измерить?
Такие вопросы задали себе исследователи около ста лет назад и не нашли на них ответа. Это было в ту пору, когда на смену доброму старому пороху стали во множестве приходить все новые и новые взрывчатые вещества. Наступило время, когда уже недостаточно было только наудачу изобретать, делать случайные открытия и натыкаться на счастливые находки. Поиски вслепую становились невозможны, тем более, что игра в жмурки со взрывчатыми веществами никогда не приводила к добру. Нужна была строгая теория взрыва, точные методы измерения его параметров, простые способы оценки мощи взрывчатых веществ. К счастью, нашелся человек, которому его ясный ум, универсальная образованность и ни с чем не сравнимое трудолюбие позволили ответить на загадки сфинкса. Этим человеком оказался один из величайших ученых XIX века Марселей Бертло.
Научные заслуги Бертло столь велики, что еще при жизни он заслужил всеобщее поклонение и необычайную славу. Разве много есть ученых, в чью честь создавались поэмы, чеканились медали, чьим именем назывались улицы и площади? Академии наук почти всех стран мира избрали Бертло в свои члены, а торжества в честь его юбилея превратились в национальный праздник Франции. В 1876 году Бертло был избран и в состав Петербургской академии наук. Это избрание не было формальным актом признания заслуг французского химика. Бертло поддерживал тесные связи со многими русскими учеными. С ним неоднократно встречались Менделеев, Бутлеров, Марковников, Коновалов, Тимирязев, Каблуков, Мечников, Бейльштейн, Софья Ковалевская.
Роль Бертло в истории взрывчатых веществ своеобразна. Он не изобрел пороха, не создал ни одной взрывчатки, не сконструировал детонатора. И тем не менее никто, быть может, не сделал для развития этой отрасли науки так много, как Бертло. Недаром о нем с таким большим уважением отозвался Менделеев:
«Все современное пороховое дело определяется участием таких ученых сил, каковы мои собраты по науке: сэр Фридрих Абель и Бертело...»
Марселей Бертло родился 27 октября 1827 года в семье парижского врача. Уже с детства он обнаружил исключительные способности. Экзамены по всем предметам и в коллеже, и в университете он сдавал лучше всех, на учебных конкурсах он всегда оказывался победителем. Философия и медицина, история и математика, физика и лингвистика — все одинаково легко давалось одаренному студенту. Уже в юности он в совершенстве овладел многими языками, в том числе английским, немецким, латынью, греческим, санскритом, древнееврейским. Разносторонность интересов долго не давала Марселену найти свое подлинное призвание. Лишь в двадцать лет он начал заниматься химией в лаборатории уже знакомого нам Пелуза. Это было время, когда только что были открыты нитроглицерин и пироксилин, когда у того же Пелуза начал свои исследования Альфред Нобель. Однако Марселей не заинтересовался взрывчатыми веществами и увлекся «чистой» химией. В 1850 году появилась его первая научная статья. С тех пор и до самого конца жизнь Бертло — это сплошной подвижнический труд. Ю. С. Мусабеков, известный историк химии и исследователь творчества Бертло, установил, что при жизни французского ученого из-под его пера вышло 2872 печатных труда — шестьдесят увесистых томов! Тут и монументальные монографии, и Учебники, по которым учились целые поколения химиков во многих странах, и статьи по всем разделам химии. В некоторые годы он публиковал новую научную работу каждые три-четыре дня — невероятный факт, если учесть, что за каждой статьей лежит тяжелый изнурительный труд в лаборатории и за письменным столом. Поразительная работоспособность Бертло, которую он сохранил до глубокой старости, вызывала и продолжает вызывать всеобщее удивление.
Он впервые, всего двадцати шести лет, получил искусственным путем жиры, синтезировал винный спирт, установил существование многоатомных спиртов, изучил углеводы, нашел способы получения метана, этилена, пропилена, нафталина, ацетилена (получившего свое название именно от Бертло). Из ацетилена он получил, в свою очередь, сотни других веществ. Он изучил процессы брожения сахаров, исследовал химические реакции, протекающие в живых организмах, установил существование фиксации почвой атмосферного азота — явление, имеющее огромное значение для современной агрономии.
У нас нет возможности рассказать о всем том, что сделал «Лавуазье девятнадцатого века», как назвал его Тимирязев, в области органического синтеза, общей и аналитической химии, агрохимии, истории химии, физики, биологии, агрономии. Это труд такой же невозможный и напрасный, как попытка кратко пересказать химическую энциклопедию. Кем бы ни был Бертло: начинающим лаборантом или влиятельным министром, безвестным учителем или прославленным академиком — он всегда вел один и тот же образ жизни скромного труженика. В течение многих десятилетий можно было видеть сутуловатую фигуру ученого, в одни и те же часы не спеша идущего из дому в свою лабораторию в Сорбонне. Не удивительно, что и будущее мира этот вечный работник представлял себе как царство науки и труда. Эти мечты он выразил в своей знаменитой речи 5 апреля 1894 года, опубликованной под названием «В 2000 году»:
«...Наука создаст благословенные времена равенства и братства всех перед святым законом труда... Мы тогда уже будем готовы осуществить мечты социализма... Не будет больше ни таможенных пошлин, ни войн, ни границ, орошаемых человеческой кровью.
Воздушная навигация со своими моторами, работающими на химической энергии, предаст забвению устаревшие машины. К тому времени не будет ни земледелия, ни пастухов, ни землепашцев; проблема существования посредством обработки земли будет вытеснена и разрешена химией. Не будет больше ни угольных шахт, ни подземных работ, ни, разумеется, тяжелого труда шахтеров. Проблема горючего будет разрешена с помощью физики и химии... Земля превратится в огромный сад, орошаемый подземными водами, где каждый человек будет жить в изобилии и счастливо. Труд будет составлять основную часть жизни... Таков мой и всех нас идеал. Я пью за труд, за правду и счастье человечества».
В 1861 году Бертло женился на Софи Ниодэ, которая была десятью годами моложе его. Родители Софи, богатые парижские буржуа, не были расположены отдавать дочь за бедного преподавателя химии, но брак все же состоялся. Красивая, умная, образованная и чуткая женщина, Софи оказалась прекрасной женой. Трудно сказать, смог ли Бертло работать так много и плодотворно, если бы Софи до конца жизни не окружила его нежным вниманием и заботой.
Братья Гонкур, посещавшие дом ученого, записали в своем дневнике: «Мадам Бертло — женщина исключительной, незабываемой красоты, красоты интеллигентной, глубокой, магнетической, красоты духа и мысли, напоминающей нездешние создания Эдгара По...»
Сорок шесть лет длился их счастливый брак. 18 марта 1907 года больная Софи скончалась на руках своего мужа. Пораженный горем великий ученый пережил свою жену всего на три часа. Супруги были вместе погребены в Пантеоне — усыпальнице великих людей Франции. В день их похорон был объявлен национальный тpayp.
К исследованию взрывчатых веществ Бертло привела не любознательность ученого, а обязанность гражданина. До франко-прусской войны он занимался лишь «чистой наукой». Однако в сентябре 1870 года, когда возникла угроза захвата немцами Парижа, Бертло отвез детей в провинцию, вернулся с женой в город и посвятил себя обороне осажденной столицы.
Снова парижане с энтузиазмом добывали селитру и делали порох, видя во взрывчатых веществах единственный путь к спасению своей жизни и свободы. Под руководством Бертло всего за двадцать пять дней в черте города был построен пороховой завод, на котором работало триста человек и производилось семь тысяч килограммов пороха в сутки. Одновременно было налажено производство динамита, дотоле почти неизвестного во Франции.
После заключения мира Бертло не потерял интереса к взрывчатым веществам. Напротив, до конца жизни он со все возрастающим вниманием занимается их изучением. Для этого были серьезные причины: «Изучение взрывчатых веществ прельщает воображение с двух точек зрения: благодаря могуществу, которое оно дает в руки человека, и благодаря более глубоким знаниям, которые оно позволяет получить относительно действия сил природы, доведенных до своего высшего напряжения».
В 1876 году Бертло входит в состав консультативного комитета по порохам и селитрам, а двумя годами позднее становится во главе комиссии по взрывчатым веществам. Под его руководством разворачиваются широкие исследования фундаментального и прикладного характера, разрабатывается бездымный порох Вьеля, организуются прекрасные лаборатории, вызвавшие особое восхищение Менделеева.
По образцу лабораторий Бертло русский ученый организовал в Петербурге морскую научно-техническую лабораторию, в которой был разработан пироколлодиевый порох. В ее рабочем журнале имеется такая запись, сделанная рукой Менделеева:
«8 августа 1891 г. Открытие и освящение лаборатории... Пили здоровье... начинателей дела бездымного пороха: Фридриха Абеля, Бертело и Сарро».
Справедливости ради нужно сказать, что Бертло был не первым и не последним ученым, изучавшим сущность взрыва. Первую попытку научного объяснения взрыва сделал еще Ломоносов в своем «Рассуждении о селитре». Механизм горения пороха изучал русский ученый Шишков вместе с Бунзеном. Они изложили результаты своих исследований в монографии «Химическая теория горения пороха», появившейся в 1859 году. Сам Бертло высоко отозвался об этой работе, отметив, что «Бунзен и Шишков в своем замечательном труде поставили проблему изучения черного пороха на рациональную почву». Немало полезных сведений о механизме взрыва получили Абель и Чельцов. Однако все эти работы были лишь отдельными кирпичиками большого здания, в котором Бертло заложил краеугольные камни и возвел целые стены. Наиболее важными достижениями французского ученого в области взрывчатых веществ были термохимическое исследование реакций взрыва, определение силы взрывчатых веществ, учение о детонации и взрывной волне.
Термохимия — это наука о теплотах химических реакций. С помощью термохимии можно не только определить тепловые эффекты химических превращений, но и установить механизм протекающих при этом реакций. Эту отрасль науки основал Бертло, разработавший для определения теплот химических превращений специальный прибор — калориметрическую бомбу. Бомба представляет собой герметичный сосуд, в котором при определенных условиях сжигается исследуемое вещество. Нет в мире такой химической лаборатории, даже школьной, где бы не применяли калориметр Бертло. Для исследования же взрывчатых веществ он совершенно необходим.
В качестве курьеза заметим, что работа с такими приборами в России не всегда была безопасна. Примером тому служат злоключения известного термохимика Лугинина. Лугинин, лично знакомый с Бертло, много сделал для усовершенствования калориметрии и повышения ее точности. Однако его исследованиям сильно мешала политическая обстановка в России. Чины царской охранки, которым было известно, что ученый имеет дело с какой-то таинственной «бомбой», не раз устраивали в его доме обыски и допросы.
Калориметр Бертло позволяет определить энергию горения и взрыва, что имеет прежде всего теоретический интерес, позволяя установить предположительный механизм разложения взрывчатого вещества. Но и практическое значение этого определения достаточно велико, поскольку энергия взрыва в значительной мере определяет мощь взрывчатки. Например, энергия взрыва одного килограмма нитроглицерина составляет 1560 килокалорий, а аммиачной селитры — всего 340 килокалорий. Отсюда и разница в разрушающей силе этих веществ. Энергия взрыва одного килограмма тротила составляет примерно 1000 килокалорий или 440 тысяч килограммометров. Другими словами, энергии, выделяющейся при взрыве одного килограмма тротила, теоретически хватит, чтобы подбросить груз весом почти в полтонны на высоту в целый километр! Однако не следует думать, что взрывчатые вещества обладают каким-то сверхъестественным запасом энергии. Кусок дерева дает при сгорании больше тепла, чем равная ему по весу шашка тротила. Поэтому выгоднее топить печь обыкновенными березовыми поленьями, чем первосортными взрывчатыми веществами. И все же самое большое полено сгорит в топке без лишнего шума, а тротиловый заряд способен разрушить и печь и дом вместе с ней. Отсюда следует, что секрет силы взрывчатых веществ заключается не в огромной энергии взрыва, а в том, что они позволяют сконцентрировать эту энергию во времени и пространстве. Взрыв отличается от горения прежде всего скоростью. Кусок дерева омывается воздухом только с поверхности, и реакция горения — окисления горючего кислородом — идет относительно медленно. Срединная зона полена долго еще должна ждать своей очереди, чтобы вдохнуть кислород. Чем тоньше измельчено топливо, тем быстрее идет горение, а угольная пыль способна даже взрываться.
Во взрывчатом веществе окислитель входит в его состав, и контакт с кислородом воздуха не обязателен. Реакция происходит сразу во всем объеме, многотонный заряд может взорваться в один миг. В результате быстрых химических превращений при взрыве развиваются высокая температура и огромное давление, которые и сокрушают окружающую среду. Правда, наличие окислителя в составе взрывчатки — еще не достаточное условие для мгновенного взрыва. Тротил и большинство других взрывчатых веществ при поджигании не взрываются, а медленно и спокойно горят. Причина возникновения взрыва много веков оставалась загадкой.
Бертло понимал, что энергия превращения далеко еще не определяет силы взрывчатых веществ и что вообще понятие «сила» применительно к взрывчатому' веществу далеко не однозначно. Очевидно, разрушительное действие взрывчатки определяется не каким-то одним, а несколькими факторами. После долгих исследований он установил, что таких факторов три: величина давления, развиваемого при взрыве (оно зависит от количества выделившихся газов и их температуры), энергия взрыва и скорость химических превращений при взрыве. Давление, энергия, скорость — вот три кита, на которых зиждется мощь взрывчатых веществ.
Объем газов, выделяющихся при взрыве, в семьсот — девятьсот раз превышает объем самой взрывчатки. К тому же эти газы нагреты до температуры две — четыре тысячи градусов, что еще больше повышает их давление. Стремящийся расшириться во все стороны газ и является основной ударной силой взрыва.
Серьезное внимание Бертло обратил на химический состав взрывчатых веществ и, особенно, на содержание в них кислорода. Как правило, взрыв — это окисление. Желательно, чтобы это окисление было полным, потому что в таком случае выделяется наибольшее количество газов. А чтобы окисление при взрыве было полным, нужно, чтобы взрывчатка содержала достаточное количество кислорода. Например, нитроглицерин или аммиачная селитра содержат даже больше кислорода, чем требует теория для их взрывчатого разложения. Специалисты называют их веществами с положительным кислородным балансом. Тротилу же кислорода не хватает, и он намного бы увеличил свою силу, если бы нашел себе партнера, который мог бы с ним поделиться этим элементом. Поэтому смеси взрывчатых веществ с избытком и недостатком кислорода (с положительным и отрицательным кислородным балансом) полезны обоим участникам союза: первые отдают свой балласт — избыточный кислород, а вторые получают возможность до конца отдать таящуюся в них энергию. Обычно стремятся составлять смеси с нулевым кислородным балансом. Они содержат кислорода ровно столько, сколько нужно для их окисления.
Исследования Бертло открыли возможность научного определения, предсказания и расчета силы любого, Даже ёще не созданного вещества и осветили путь к их дальнейшему улучшению. Недаром именно в эти годы десятками стали появляться новые, все более совершенные и мощные взрывчатки. Трудность, однако, состояла в том, что давления, развиваемые при взрыве, столь чудовищны, что их очень сложно, почти невозможно измерить. Например, давление, возникающее при взрыве тротила, составляет 190—240 тысяч атмосфер. Поэтому часто приходится рассчитывать давление теоретическим путем — по количеству образовавшихся газов и температуре. Но и тут все обстоит не так просто, как бы хотелось. Дело в том, что ход химических реакций при взрыве одного и того же вещества неузнаваемо изменяется в зависимости от условий взрыва — температуры, скорости и в особенности давления. Простейшая аммиачная селитра разлагается при взрыве семью способами. Что же говорить о сложных смесях, какими являются современные взрывчатые вещества?
Но даже точное знание температуры, давления и других параметров взрыва не позволяет еще дать непосредственный ответ практикам на интересующие их вопросы — какой, например, глубины будет воронка в грунте или какой величины нужен заряд для дробления гранита в каменоломне. Одним словом, для практических нужд требовались пусть менее строгие, менее обоснованные, но зато более простые, быстрые и наглядные методы оценки силы взрывчатых веществ. Поэтому исследователи продолжали ломать голову (к сожалению, не только в переносном смысле) в поисках несложных и доступных каждой лаборатории способов определения мощи взрывчаток. В конце концов было принято характеризовать действие взрыва двумя главными показателями — бризантностью и работоспособностью.
Бризантностью (от французского briser — дробить) называют способность взрывчатого вещества дробить прилегающую среду. Бризантность в значительной мере зависит от скорости, резкости взрыва. Чем выше скорость детонации, тем сильнее дробящее действие взрывчатого вещества. Современный способ определения бризантности предложил австрийский инженер Гесс. По его методу дробящее действие определяется подрывом взрывчатки на свинцовом столбике. Метод очень несложен На столбик диаметром 40 и высотой 60 миллиметров, покрытый сверху стальным кружком, помещают небольшой (50 граммов) цилиндрический заряд взрывчатого вещества. При взрыве столбик сплющивается и принимает форму гриба. По уменьшению высоты столбика и судят о величине бризантности, которую выражают в миллиметрах. Бризантность современных взрывчатых материалов составляет 14—17 миллиметров.
Но разрушающее действие взрыва заключается не только в дроблении прилегающего материала. И за много метров от места взрыва мощного заряда рушатся стены, падают деревья, вылетают стекла из окон, опрокидываются машины. Это действие взрыва обусловлено взрывной ударной волной и называется фугасным (от французского «летучий»). Фугасность (теперь принято называть ее работоспособностью) зависит главным образом от энергии взрыва, а не от скорости детонации. Величина воронки при взрыве заряда, количество выбрасываемого грунта при горных работах или возведении плотины зависит именно от фугасности.
Для определения работоспособности немецкий исследователь Трауцль изобрел простой способ. Он взял цилиндрическую свинцовую чушку (высотой и диаметром двадцать сантиметров) и высверлил в ней углубление, в которое поместил десять граммов взрывчатки. Плотно забив заряд песком, он произвел взрыв. Внутри свинцовой чушки образовалась довольно большая полость. Налив туда из мензурки воды, Трауцль определил ее объем. Чем мощнее вещество, тем больше, естественно, получался объем полости, который Трауцль и предложил считать мерой работоспособности взрывчатого вещества. Этот нехитрый метод был рекомендован в качестве стандартного на Пятом международном съезде по прикладной химии в Берлине в 1903 году и с успехом применяется и в наше время. Работоспособность современных взрывчатых веществ составляет 240—260 кубических сантиметров.
Определение бризантности и работоспособности, ничего не говоря о сущности взрыва и его параметрах, позволяет быстро и удобно сравнивать разрушающее действие разных взрывчатых соединений и любых смесей на их основе. Например, работоспособность тротила составляет 290 кубических сантиметров, а нитроглицерина — 540 (именно такой объем создает при взрыве шесть кубических сантиметров — десять граммов — разрывного масла, заключенного в свинцовый массив!). Сопоставив цифры 290 и 540, специалист быстро сделает для себя соответствующие выводы. Поэтому в сочетании с энергией взрыва, его температурой, количеством образовавшихся газов бризантность и работоспособность дают возможность уверенно характеризовать современные взрывчатые вещества.
Бертло не только установил важность высокой скорости химических превращений для мощности взрыва, но и первым дал научное объяснение тому, почему взрыв происходит так быстро. Это обстоятельство чрезвычайно важно. Ведь главное, что отличает взрыв от горения, главное, что придает ему «подражающее молнии» действие,— это высокая скорость. Понять, почему она возникает,— значит, понять, как происходит взрыв. Бертло разработал план остроумных опытов, проведенным им, главным образом, совместно с Вьелем, а впоследствии — с Ле-Шателье. В результате этих опытов и родилось знаменитое учение Бертло о взрывной волне. Сущность его можно объяснить следующим простым примером.
Если поднести к тротиловой шашке огонь, она вовсе не взорвется, а будет гореть медленно и спокойно со скоростью примерно один сантиметр в минуту. Выделяющееся при этом тепло рассеивается в атмосферу, и основная часть горящей взрывчатки остается холодной, Точно так же мы можем, не обжигаясь, держать в руках горящую лучину. Чтобы тротил взорвался, другими словами, мгновенно разложился во всем объеме, нужны какие-то дополнительные условия.
Допустим теперь, что рядом с нашей тротиловой шашкой взорвали какой-то другой заряд или просто нанесли по тротилу сильный удар (только очень резкий). Тогда от удара взрыва или нашего воображаемого или реального молота верхний слой взрывчатого вещества быстро сожмется и разогреется. Высокая температура и давление вызывают мгновенное разложение тротила, но разложение только в этом тоненьком слое. При разложении образуются в большом количестве газы, имеющие очень высокую температуру и создающие высокое давление — десятки тысяч атмосфер. Под этим огромным давлением немедленно сжимается соседний слой взрывчатки, которая, в свою очередь, быстро разогревается с разложением и выделением нагретых газов. Бег взрывной волны продолжается до тех пор, пока не разложится все взрывчатое вещество. «Взрывная волна,— пишет Бертло,— раз образовавшись, распространяется без ослабления, потому что химическая реакция, вызывающая ее, восстанавливает ее живую силу на всём ее пути, между тем как механическая волна теряет постепенно свою интенсивность по мере того, как ее живая сила, определенная одним только начальным импульсом, распределяется на все более и более значительную массу вещества».
Процесс передачи энергии сжатием называется детонацией, и протекает он значительно быстрее, чем мы его описываем. Человеческому глазу кажется, что любой заряд взрывается мгновенно во всем объеме — каким бы большим он ни был. Но теперь мы знаем, что на самом деле это не так. Пусть это время мало, но оно все же существует. Для специалистов скорость детонации имеет огромное значение и является одной из важнейших характеристик взрывчатого вещества. Например, для тротила она равна 5800, для нитроглицерина— 7650, для аммиачной селитры «всего» 1800 метров в секунду. Чем выше скорость детонации, тем ярче проявляется дробящая способность взрывчатого вещества.
Интересно задуматься над тем, как измеряют такие космические скорости. Казалось бы, для этого должны применяться чрезвычайно сложные приборы, до самого верху начиненные электроникой и прочими сверхчувствительными устройствами. Но скорость детонации понадобилось определять много раньше, чем наступил наш электронный век, и потому прибор, изобретенный для этой цели, оказался очень простым и остроумным (его описание дает ГОСТ 3250—58). Вообще же измерять параметры взрыва очень нелегко. Даже если и удастся сконструировать приспособления, способные определить температуру в несколько тысяч градусов и давление в несколько сот тысяч атмосфер, то как сделать, чтобы при измерении такие приборы не разбились всмятку или вообще не испарились? Другая трудность состоит в том, что все это совершается слишком уж быстро. «В мгновение ока»,— нет, даже в десятки раз быстрее— происходят такие резкие скачки температур и давлений в разных точках среды, что записать картину взрыва с помощью приборов — задача фантастической трудности. Вот почему ученые, которые «всего-навсего» разрабатывают методы изучения показателей взрыва, заслуживают уважения не меньше, чем изобретатели пороха.
Механизм взрыва бризантных (дробящих) и метательных веществ (порохов) неодинаков. Мы и про порох, и про тротил говорим, что они «взрываются». Специалист же скажет, что порох «горит», а тротил «детонирует». Поэтому и действие этих видов взрывчатых веществ различно. В отличие от бризантных веществ порох не детонирует, не взрывается почти мгновенно во всем объеме, а горит только на поверхности, параллельными слоями. Постепенно образующиеся дымовые газы выталкивают мину или пулю из ствола оружия, не дробя его на куски. Правда, «постепенность» эта относительна — время горения порохов измеряется сотыми долями секунды, но все же его нельзя сравнить с продолжительностью взрыва дробящих веществ, составляющей миллионные доли секунды.
Таков, в общих чертах, вклад, который внес Бертло в учение о взрыве и взрывчатых веществах. Разумеется, французский исследователь смог только наметить основы теории взрыва, но не разработать ее во всех деталях. Дальнейшее развитие наука о взрыве получила главным образом в трудах русских и советских ученых. Теория детонации была рассмотрена еще в 1891 году В. А. Михельсоном и развита в дальнейшем Л. Д. Ландау, Я. Б. Зельдовичем, К. И. Станюковичем. Значительных успехов в изучении физики взрыва достигли М. А. Лаврентьев и его школа. Совершенно новое понимание сущности взрыва возникло после основополагающих работ выдающегося советского ученого Н. Н. Семенова.
Николай Николаевич Семенов получил образование на физико-математическом факультете Новороссийского университета в Одессе (ныне Одесский государственный университет им. И. И. Мечникова). В двадцатые годы он вместе с академиком А. Ф. Иоффе был одним из основателей и руководителей знаменитого Физико-технического института, от которого ведут свое начало многочисленные научные школы и направления, прославившиеся во всем мире. В 1931 году он возглавил вновь созданный Институт химической физики АН СССР, бессменным руководителем которого является до сих пор. В 1932 году он был избран в Академию наук СССР.
Наибольшей известностью пользуются работы Н. Н. Семенова в области химической кинетики — науки о скоростях и механизмах химических реакций. Из скромных внешне опытов по окислению серы и фосфора выросла его замечательная теория цепных реакций, позволившая объяснить многие особенности и химических превращений, и горения, и взрыва, и ядерных реакций, и биологических процессов. В 1928 году появилась классическая статья Семенова «К теории процессов горения», в которой впервые было дано стройное изложение основ новой теории. Эти воззрения получили обобщение в книге «Цепные реакции», появившейся в 1934 году я немедленно переведенной на английский язык. В 1956 году за выдающиеся успехи в области химической кинетики, в особенности за разработку теории цепных реакций, Н. Н. Семенов вместе с английским ученым Сирилом Хиншельвудом был удостоен Нобелевской премии.
Теория горения и взрыва — самостоятельная отрасль химической кинетики, имеющая лишь косвенное отношение к теории цепных реакций.
Казалось бы, за десятки тысяч лет, прошедших со времени приручения огня и его широчайшего применения в технике и повседневной жизни, человек должен был изучить сущность горения до мельчайших подробностей. Но обстоятельства сложились так, что о самом древнем союзнике человека мы знаем меньше, чем, например, об электричестве или радиоволнах. На этот парадокс обратил внимание и Семенов:
«В науке об огне мы нередко становимся в тупик перед самыми простыми явлениями. Рациональная конструкция двигателя внутреннего сгорания и даже топки котла встречает больше затруднений, чем конструкция самой сложной динамо-машины или радиоприемника. И по сие время в вопросах, связанных с огнем, мы очень часто должны, уподобившись нашим первобытным предкам, использовать в большей степени примитивный опыт и чутье, нежели рациональное научное знание предмета».
Столетиями пылал огонь на алтаре науки, много жертв было принесено ему учеными разных веков и народов, и все же до самого последнего времени не было ясного понимания этого «простого» явления — горения. И только «всестороннее рассмотрение химических, физических и механических сторон явления в их взаимосвязи с учетом обратных связей позволило сравнительно небольшому коллективу сотрудников Института химической физики... заложить основы современной теории горения и взрывов газов и взрывчатых веществ».
В разработке новой теории Семенов исходил из того, что «всякое горение или взрыв есть прежде всего химическая реакция... Поэтому все явления горения тесно связаны с представлениями и законами химической кинетики, и прежде всего — со скоростью химической Реакции, протекающей в неизотермических условиях (т. е. при неодинаковой температуре)». Количественная теория теплового взрыва была разработана Семеновым еще в 1928 году в упоминавшейся уже статье «К теории процессов горения». В последующее десятилетие он дал математическую формулировку самовоспламенения — возникновения тепловой самоускоряющейся лавины. Тогда же были установлены закономерности распространения пламени и взрывной волны.
Классическая теория детонации Бертло не учитывала кинетику взрывных реакций и не могла поэтому объяснить некоторых важных свойств взрывчатых веществ. Вот один простейший пример. По теории детонации упругие волны сжатия должны лучше всего распространяться в плотных сплошных телах. Между тем известно, что порошкообразные взрывчатки значительно чувствительнее к взрыву, чем литые или прессованные. Даже одно из самых легковзрывающихся веществ — гремучая., ртуть, если ее сильно спрессовать, при поджигании не детонирует, а спокойно сгорает. Исследованиями советского нобелевского лауреата и его школы было установлено, что «во многих случаях детонация взрывчатых веществ происходит не из-за детонационной волны, а в результате поджигания впереди лежащих крупинок вещества раскаленными газами, появляющимися от сжигания предыдущих».
Сотрудники Института химической физики Ю. Б. Харитон и А. Ф. Беляев поместили в глубоком вакууме над расстоянии сорока сантиметров друг от друга две крошечные крупинки азида свинца и взорвали одну из них. Из-за отсутствия воздуха и всякой другой материальной среды передача энергии взрыва детонацией не могла, иметь места. Тем не менее второе зернышко азида свинца взорвалось практически одновременно с первым. Выяснилось, что взрыв второй крупинки произошел от удара мельчайших осколков первой крупинки, весивших всего около одной стомиллионной миллиграмма.
Работами Н. Н. Семенова, Ю. Б. Харитона, А. Ф. Беляева теория и практика возбуждения взрыва продвинута далеко вперед. И все же взрыв — настолько сложное явление, что даже сегодня он далеко еще не изучен до конца.