Открытое мероприятие "Академик Н. Н. Семенов. Физик, ставший химиком"
методическая разработка

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  

МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

«НОГИНСКИЙ КОЛЕДЖ»

Дисциплина: ФИЗИКА, ХИМИЯ

Открытое внеклассное мероприятие

Н. Н. Семенов Физик, ставший химиком

к 125-летию со дня рождения академика Н. Н. Семенова

Курс: 2

Группы: 2 ДСА1, 2ДСА2, 2ДО, 2ДУ

Специальность: 23.02.03 «Организация перевозок и управление на транспорте (по видам)», 27.02.07 «Управление качеством продукции, процессов и услуг (по отраслям)», 23.02.07 «Техническое обслуживание и ремонт двигателей, систем и агрегатов автомобилей»

Преподаватель: Семенова Н. Е.

Физик, ставший химиком: Николай Николаевич Семёнов (1896–1986)

Цели:

Образовательные:

1. Познакомить обучающихся с биографией и деятельностью советского академика Николая Николаевича Семенова

2. Способствовать накоплению сведений об открытиях Семенова в области физики и химии

3. Способствовать формированию и развитию культуры речи;

4. Формировать умение говорить, слушать и понимать устную речь;

5. Учить навыкам подготовки и проведения устного выступления.

Воспитательные:

1. Формировать чувство патриотизма, воспитывать уважение, любовь к истории;

2. Способствовать возникновению интереса к сильной, незаурядной личности в качестве примера для подражания;

3. Вырабатывать усидчивость и внимание;

4. Прививать навыки культуры поведения во время общественных мероприятий.

Развивающие:

1. Вырабатывать у студентов интерес к чтению, к поиску новой информации;

2. Развивать речевые способности;

3. Способствовать укреплению памяти;

4. Формировать логическое мышление.

Методы проведения:

1. Репродуктивный

2. Творческий

Форма проведения – открытое внеклассное мероприятие

1. Просмотр документального фильма

2. Элементы устного журнала

3. Презентация

Междисциплинарные связи:

1. Физика

2. Химия

3. История

Оснащение: Мультимедиа.

Композиция мероприятия:

1. Вступительное слово преподавателя (тема, цели, участники).

2. Просмотр документального фильма к 120-летию Н. Н. Семенова (13 минут) https://yandex.ru/video/preview/?filmId=9666879910237922420&from=tabbar&parent-reqid=1583004758253819-319815266045839929000067-vla1-3698&text=%D0%A1%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D0%B2+%D0%9D.+%D0%9D.+%D0%B4%D0%BE%D0%BA%D1%83%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9+%D1%84%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D0%BC

4. Презентация и рассказ о жизни и деятельности академика Н. Н. Семенова

В 2021 году исполнится 125 лет со дня рождения крупнейшего отечественного ученого — Н. Н. Семенова, 35 лет со дня его смерти и 65 лет со дня присуждения ему Нобелевской премии по химии — единственной в нашей стране в этой номинации. Николай Николаевич Семенов был очень яркой, незабываемой личностью. Такой же яркой и захватывающей была его биография. Сегодня мы расскажем вам о страницах биографии великого ученого.

Н. Н. Семёнов родился в Саратове в семье профессионального военного. В 1909 году семья переехала в Самару, где Николай посещал реальное училище, которое окончил в 1913 году. В училище он заинтересовался физикой и химией. Через много лет на одном из семинаров на нашей кафедре химической кинетики (Семенов организовал ее в 1944 году и возглавлял до конца жизни) Николай Николаевич рассказал о своем первом знакомстве с химией. В детстве он узнал из книг, что обычная поваренная соль образована активным металлом натрием и ядовитым газом хлором. Это его очень заинтересовало. И когда появилась возможность проверить этот факт на практике, он сжег кусочек натрия в колбе с хлором. После завершения бурной реакции горения на стенках сосуда осел белый порошок. Николай соскреб этот налет, посыпал им кусочек черного хлеба и съел. Он сказал, что был очень доволен этим «экспериментом». Дома Николай часто ставил химические опыты, которые иногда заканчивались взрывами. Впоследствии взрывные реакции стали одной из основных тем его научных интересов.

После окончания училища Семёнов поступил на физическое отделение физико-математического факультета Петербургского университета. Уже со второго курса он начал заниматься экспериментальной научной работой под руководством Абрама Фёдоровича Иоффе, будущего знаменитого академика, создателя школы отечественных физиков. Еще студентом он опубликовал свою первую статью, посвященную воздействию электронов на молекулы.

После окончания в 1917 году университета Семенов был оставлен при нем стипендиатом для научной работы и подготовки к профессорскому званию. Однако бурные события в стране смешали все его планы. Летом 1918 года Семенов поехал на каникулы к родителям в Самару, где его застала Гражданская война. Вернуться на учебу в Петроград он уже не смог. Увлеченный наукой, он не интересовался политикой и плохо понимал, что происходит в стране. Власть в Поволжье тогда перешла эсеровскому правительству. «Под влиянием мелкобуржуазной среды», как вспоминал Семенов, он в июле добровольно вступил в «народную армию» Самарского учредительного собрания, где был назначен рядовым в артиллерийскую батарею. Около месяца он выполнял обязанности коновода, причем три недели — на фронте, против Красной армии. Николай быстро понял, что в армию он попал по собственному недомыслию. Воспользовавшись известием о тяжелой болезни отца (он находился при смерти), Семенов в августе 1918 года добился отпуска в Самару. Там он устроил себе перевод во вновь формирующуюся Уфимскую батарею, но поехал не в Уфу, а в Томск, дезертировав таким образом из Белой армии.

Томск был выбран не случайно: в то время это был единственный университетский город Сибири, и Семенов надеялся заняться там наукой, используя полученные в Петербурге обширные знания в области физики. Так и случилось. Заведующий кафедрой физики Томского технологического института Борис Петрович Вейнберг предоставил молодому ученому возможность работать в лабораториях института. А с декабря Семенов стал также преподавать на кафедре физики в Томском университете. Там Семенов сделал несколько полностью самостоятельных научных работ. Он организовал при Технологическом институте постоянно действующий научный семинар, руководил работами наиболее талантливых студентов.

В сентябре 1919 года Семенов был мобилизован в армию Колчака. Но ему снова повезло: благодаря хлопотам Вейнберга он был переведен в радиобатальон, откуда сразу же откомандирован в Технологический институт, где и продолжал научную работу. В декабре в Томск вошли части Красной армии, радиобатальон оказался в ее составе, и по ходатайству университета Семёнов распоряжением коменданта Томска был наконец официально отчислен из армии. До мая 1920 года он продолжал научную и преподавательскую работу, а затем, уже хлопотами Иоффе, только что ставшего академиком, переехал на работу в Петроград. Этот «белогвардейский» эпизод был хорошо известен «органам», а самого Николая Николаевича многие годы держал в напряжении, особенно в годы сталинских репрессий. Известно, например, что в 1937 году в Ленинграде было сфабриковано дело о «фашистско-террористической организации». В нее вместе с известными физиками, в числе которых были знаменитые Виктор Амазаспович Амбарцумян, Лев Давидович Ландау, Владимир Александрович Фок и Яков Ильич Френкель, должны были войти также математик Николай Иванович Мусхелишвили и физико-химик Семенов. Большинство «заговорщиков» было арестовано. Почему уцелели Френкель, Семёнов, Амбарцумян и Мусхелишвили — неясно. Возможно, «органы» уже выполнили свой «план».

В Петрограде 24-летний Семенов был назначен заведующим лабораторией электронных явлений физико-технического отдела Рентгенологического и радиологического института (с 1921 года — знаменитый Ленинградский Физтех, основателем и первым директором которого стал Иоффе).

В 1921 году Семенов вместе со своим однокурсником Петром Капицей заказали знаменитому художнику Кустодиеву свой портрет. Капица сказал Кустодиеву: «Вот Вы всё пишете портреты знаменитых людей. А почему бы Вам не нарисовать нас, будущих знаменитостей?» Борис Михайлович в ответ поинтересовался, не собираются молодые люди стать нобелевскими лауреатами, на что мгновенно получил безапелляционный положительный ответ. Художник согласился принять заказ, отложив незаконченный портрет Шаляпина. На полотне Капица держит курительную трубку, а Семенов — рентгеновскую. В тот год Капица налаживал одному мельнику его водяную мельницу, за что получил два мешка муки и петуха. В то голодное время это была царская плата! Один из этих мешков с петухом в придачу и был преподнесен Кустодиеву в качестве гонорара.        

В 1920-е годы в лаборатории Семенова начали изучать процессы, которые привели к выдающемуся открытию. За 10 лет до этого, в 1913 году, один из основоположников химической кинетики немецкий химик Макс Боденштейн на примере фотохимической реакции водорода с хлором открыл цепные процессы. Оказалось, что всего один квант света приводит к образованию сотен тысяч молекул HCl. Однако то, что обнаружили в лаборатории Семенова, очень сильно отличалось от описанной Боденштейном реакции.

В 1924 году у Семенова начала работать выпускница химического факультета университета Зинаида Францевна Вальта. Ее руководителем был назначен двадцатилетний Юлий Харитон (в будущем академик, один из руководителей советского атомного проекта). И вот в конце 1924 года Вальта и Харитон, измеряя интенсивность свечения паров фосфора при их окислении кислородом, натолкнулись на совершенно неожиданное явление. При малых давлениях реакция не шла даже в течение суток. Но если давление кислорода превышало некий предел, вдруг появлялось свечение. Более того, свечение мог вызвать даже инертный аргон! Для любого химика это было уже настоящим чудом. Был обнаружен и второй (верхний) предел давления, выше которого реакция не шла. Было ясно, что эта реакция цепная. Однако ее поведение противоречило всем существовавшим тогда представлениям о механизмах и скоростях химических реакций. Спустя много лет Семёнов, называя эти явления капризами природы, сказал: «В физике, как известно, "капризов" практически нет, в то же время биология полна ими. Химия занимает промежуточное положение: иногда реакция течет нормально, а иногда — сплошные "капризы". Цепная теория — это "теория капризов" химического превращения...».

Результаты экспериментов, полученные Харитоном и Вальтой, без какой-либо попытки их объяснения, были опубликованы в 1926 году в немецком журнале Zeitschrift für Physik. Последствия были быстры и неутешительны: работа подверглась крайне острой критике со стороны знаменитого Боденштейна. В короткой заметке, опубликованной в том же журнале в 1927 году, он написал, что все результаты по окислению фосфора являются не открытием, а иллюзией, и указал даже на ее возможные причины. Например, неправильную конструкцию установки, в которой проводились опыты.

Возражения были очень серьезны. Требовалась тщательная проверка экспериментов. Однако авторы статьи уже не работали в лаборатории Семенова: Зина Вальта перешла на работу в геофизическую лабораторию, а Юлий Харитон был в командировке в Кембридже; именно там он и увидел в только что пришедшем из Германии номере журнала статью Боденштейна и написал об этом Семёнову. Пришлось Николаю Николаевичу самому заняться окислением фосфора. В этом ему помогал блестящий экспериментатор, будущий академик Александр Иосифович Шальников. Проверка показала правильность первой публикации. Более того, были получены новые, не менее «еретические» данные. Оказалось, например, что критическое давление кислорода сильно зависит от таких неожиданных факторов, как форма и размер реакционного сосуда и даже материал его стенок. Семенов в течение всего нескольких месяцев сумел создать математическую теорию этого явления. Как вспоминал Юрий Борисович Харитон, «у Н. Н. фантазия работала с редкой интенсивностью», а «интуиция была поразительной». В итоге Семенов опубликовал свою теорию вместе с новыми экспериментальными данными в статье, которая появилась в 1927 году в том же журнале и практически с тем же названием. Семенов понял, что в его лаборатории был открыт новый тип химический превращений — разветвленные цепные реакции. Боденштейн же снял свои возражения и признал открытие, причем сделал это публично. Одновременно и независимо в этом же направлении начал работать в Англии Сирил Норманн Хиншелвуд (1897–1967). В обеих лабораториях критические явления были обнаружены в реакциях горения водорода и ряда других веществ.

Семенов и Хиншелвуд предложили механизм изученных реакций в предположении о разветвляющихся цепях: на одну исчезнувшую активную частицу образуются две или более новых. В результате число активных частиц стремительно нарастает (цепи разветвляются), и, если скорость обрыва цепей недостаточно велика, реакция очень быстро переходит во взрывной режим (при малых давлениях наблюдается вспышка). Такие реакции при больших давлениях вызывают разрушительные взрывы. Лавина разветвленно-цепной реакции очень быстро заканчивается: спустя доли секунды после ее начала для продолжения реакции уже не хватает исходных веществ. Похожее явление происходит при атомном взрыве: когда нейтрон расщепляет одно ядро, то одновременно выделяется более одного нейтрона, которые расщепляют другие ядра. По «разветвленно-цепному механизму» распространяются и различные слухи, если каждый узнавший новость расскажет ее более чем одному человеку. Так же быстро распространяются, но и быстро заканчиваются разнообразные «разветвленно-цепные» финансовые и прочие пирамиды.

В 1956 году 60-летний Николай Семенов и 59-летний Сирил Хиншелвуд (Cyril Hinshelwood) за свои исследования механизма химических реакций, проведенные в конце 1920-х и 1930-х годах, получили Нобелевскую премию по химии. Денежный приз был разделен на две равные части.

Николай Семенов и Сирил Хиншелвуд дали такое объяснение критическим явлениям в разветвленно-цепных химических реакциях: при низких давлениях большинство активных частиц — атомов, осколков молекул, не успев столкнуться с молекулами реагентов и «размножиться», долетают до стенки реакционного сосуда и «погибают» на них — цепи обрываются. Чем меньше диаметр сосуда, тем больше у активных частиц шансов достичь его стенок. Вот откуда зависимость от размеров сосуда! С повышением давления, даже за счет инертного аргона, шансов столкнуться с молекулами реагентов и «размножиться» у активных частиц становится больше, чем шансов достичь стенки, — возникает лавина реакций. Это объясняет существование нижнего предела по давлению.

Молекулы инертного газа, по меткому выражению Семенова, «путаясь в ногах» у активной частицы, замедляют ее движение к стенке; так объясняется удивительное влияние аргона на величину критического давления. Когда же достигается верхний предел по давлению, цепи снова обрываются быстрее, чем происходит их разветвление. Однако причина обрыва цепей здесь иная: активные частицы исчезают в результате «взаимного уничтожения» — рекомбинации в объеме сосуда при тройных столкновениях (третья частица нужна для отвода лишней энергии; скорость этой реакции очень быстро увеличивается с ростом давления). Таким образом, все экспериментальные факты получили логичное объяснение.

Теория разветвленно-цепных реакций имеет большое практическое значение, так как объясняет поведение многих промышленно важных процессов, таких как горение, крекинг нефти, воспламенение горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания и т. п. Например, смеси метана с воздухом взрываются 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 при включении или выключении света на кухне.

Но переместимся на несколько десятилетий назад. В 1927 году Семенов был назначен руководителем химико-физического сектора Ленинградского физико-технического института, а в 1928 году стал его профессором. В 1931 году сектор был преобразован в Институт химической физики АН СССР, бессменным руководителем которого Семёнов оставался в течение 55 лет, до конца своей жизни. Он гордился тем, что смог целиком укомплектовать новый институт своими учениками. Со временем ИХФ стал одной из ведущих научных организаций страны, в коллективе которой трудилось до 5 тыс. человек, решая фундаментальные и прикладные задачи по 600 темам!

В 1929 году Н. Н. Семенов был избран членом-корреспондентом АН СССР, а в 1932 году стал академиком. В 1934 году он опубликовал монографию «Цепные реакции», в которой доказал, что многие химические реакции, включая реакцию полимеризации, осуществляются с помощью механизма цепной или разветвленной цепной реакции. Свой труд Семенов посвятил «памяти Сванте Аррениуса и Якоба Вант-Гоффа». Это посвящение в послевоенные годы идеологических атак на науку послужило поводом для ожесточенных нападок на Семёнова, которого обвиняли в «низкопоклонстве перед буржуазными учеными». Книга на долгие годы стала настольной для многих химиков, изучающих механизмы химических реакций. Уже в следующем году она была переведена (в значительно расширенном варианте) на английский язык. В 1986 году эта книга была переиздана на русском языке с многочисленными комментариями и дополнениями его учеников.

Во время войны Николай Николаевич, как и многие советские ученые, работал по оборонной тематике, связанной с вопросами горения и взрыва. Его работы и работы учеников его школы быстро получили мировую известность. Он разработал теорию теплового взрыва и горения газовых смесей; создал учение о распространении пламени, детонации, горении взрывчатых веществ. В 1943 году Институт химической физики был переведен из Ленинграда в Москву. Его сотрудники приняли активное участие в зарождающемся советском атомном проекте.

В послевоенные годы Семенов и ряд других выдающихся ученых подверглись отвратительной травле со стороны группы «патриотически настроенных ученых, верных идеям марксизма-ленинизма», сплотившихся в этом постыдном деле вокруг одной из наиболее одиозных фигур тогдашнего физического факультета МГУ Н. С. Акулова.

В результате этой травли, а также из-за дружбы с опальным П. Л. Капицей Семенову пришлось испытать большое унижение: в августе 1949 года его не допустили на полигон под Семипалатинском, где было проведено первое испытание советской атомной бомбы. И это несмотря на то, что именно его институту было поручено создание этого полигона и десятки сотрудников Семенова были на испытаниях. Более того, этим сотрудникам было запрещено что-либо рассказывать своему директору об испытаниях!

Травля Семенова закончилась сразу же после смерти Сталина. А присуждение Нобелевской премии в 1956 году раз и навсегда прекратило и любые разговоры о «приоритете», и в корне изменило отношение к ученому со стороны властей. Вскоре его избрали академиком-секретарем Отделения химических наук АН СССР; фактически Семенов стал главой химической науки в Академии. А через несколько лет он стал и вице-президентом Академии наук.

Приведем еще несколько воспоминаний о Семенове, характеризующих его как ученого и как человека.

Английский специалист в области цепных процессов Ф. С. Дэйнтон (F. S. Dainton): «Научная и личная жизнь Семенова свидетельствуют о том, что он был человеком острого и живого ума, обладал ярким воображением... Семенов никогда не замыкался в рамках только своей научной тематики. В бытность директором Института химической физики он всячески поддерживал новые научные направления в своем институте, а также создавал новые институты и отделы в других местах. Семёнов был также активным и эффективным поборником науки на государственном уровне, где к его мнению и советам относились с большим вниманием и уважением. До конца своих дней Семёнов сохранил живость, ясность ума и любовь к старым друзьям».

Академик Юлий Харитон: «Директором Н. Н. был совершенно необычайным. Если у кого-нибудь появлялась свежая идея, он радовался этому и всячески помогал ее реализовать».

Академик Л. А. Пирузян: «Как-то Н. Н. предложил мне и моей жене поехать отдыхать на Байкал с ним и его супругой Л. Г. Щербаковой. Я пытался отговориться тем, что у меня много работы. Н. Н. не принял отговорки: «Самое лучшее время для работы — это отдых!» И на Байкале я это почувствовал в полной мере. Каждый новый день начинался с обсуждения очередных научных проблем, которые постоянно возникали в голове Н. Н. И проблемы эти отнюдь не ограничивались химической физикой и химической кинетикой, а простирались от биологии до ядерной физики. И Н. Н. зачастую видел в проблеме то, что человек, всю жизнь занимавшийся этой проблемой, почему-то не замечал».

Заслуги Н. Н. Семенова были высоко оценены как в нашей стране, так и за рубежом. Он дважды Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской и двух Государственных премий, лауреат Нобелевской премии по химии. Награжден девятью орденами Ленина, высшей наградой Академии наук — золотой медалью им. М. В. Ломоносова. Н. Н. Семёнов был почетным членом в академиях и научных обществах Англии, Индии, Венгрии, США, Румынии, Чехословакии, Болгарии; почетным доктором наук в Оксфорде, Брюсселе, Милане, Будапеште, Лондоне, Праге, Берлине, Вроцлаве.

Заслуги Н. Н. Семенова были высоко оценены как в нашей стране, так и за рубежом. Он дважды Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской и двух Государственных премий, лауреат Нобелевской премии по химии. Награжден девятью орденами Ленина, высшей наградой Академии наук — золотой медалью им. М. В. Ломоносова. Н. Н. Семёнов был почетным членом в академиях и научных обществах Англии, Индии, Венгрии, США, Румынии, Чехословакии, Болгарии; почетным доктором наук в Оксфорде, Брюсселе, Милане, Будапеште, Лондоне, Праге, Берлине, Вроцлаве.

Академик Семенов создал научную школу и воспитал блестящую плеяду учеников. Среди его ближайших сотрудников и учеников — многие выдающиеся ученые, в числе которых более десяти академиков!

Как отмечается на сайте ИХФ РАН, «даже в последние годы жизни Семёнов, по словам его коллег, оставался энтузиастом науки, творческой личностью, которую отличала бьющая через край энергия» Он умер 25 сентября 1986 года в Москве в возрасте 90 лет.

Литература:

1. Нобелевская лекция Н. Н. Семёнова «Some Problems Relating to Chain Reactions and to the Theory of Combustion»

2. Нобелевская лекция С. Хиншелвуда «Chemical Kinetics in the Past Few Decades»

3. О Николае Николаевиче Семенове (1896–1986) на сайте ИХФ РАН

4. Илья Леенсон, «Троицкий вариант» №20 (214), 4 октября 2016 года, №21 (215), 18 октября 2016 года.