Введение

Самоусиливающаяся цепь событий. Цепные реакции в химии и физике. Цепная реакция – это последовательность реакций, в которой реакционноспособный продукт или побочный продукт вызывает дополнительные реакции. В цепной реакции положительная обратная связь приводит к самоусиливающейся цепи событий. Цепные реакции – один из способов, с помощью которого системы, не находящиеся в термодинамическом равновесии, могут высвобождать энергию или увеличивать энтропию, чтобы достичь состояния с более высокой энтропией. Например, система может быть не в состоянии перейти в более низкое энергетическое состояние, высвобождая энергию в окружающую среду, поскольку ей каким-либо образом препятствуют или мешают следовать пути, который привел бы к высвобождению энергии. Если реакция приводит к небольшому высвобождению энергии, освобождая место для дальнейшего высвобождения энергии в расширяющейся цепи, то система обычно разрушается взрывообразно, пока большая часть или вся накопленная энергия не будет высвобождена. Макроскопической метафорой для цепных реакций является снежный ком, который вызывает образование большего снежного кома, пока, наконец, не произойдет лавина («эффект снежного кома»). Это результат накопленной гравитационной потенциальной энергии, стремящейся найти путь высвобождения через трение. В химии эквивалентом снежной лавины является искра, вызывающая лесной пожар. В ядерной физике один-единственный блуждающий нейтрон может привести к быстрому критическому событию, которое в конечном итоге может быть достаточно энергичным для расплавления ядерного реактора или (в бомбе) ядерного взрыва. Многочисленные цепные реакции могут быть представлены математической моделью, основанной на цепях Маркова.

История

В 1913 году немецкий химик Макс Боденштейн впервые выдвинул идею химических цепных реакций. Если две молекулы реагируют, образуются не только молекулы конечных продуктов реакции, но и некоторые неустойчивые молекулы, которые могут далее реагировать с исходными молекулами с гораздо большей вероятностью, чем исходные реагенты. (В новой реакции, помимо стабильных продуктов, образуются и другие неустойчивые молекулы, и так далее.) В 1918 году Уолтер Нернст предположил, что фотохимическая реакция между водородом и хлором является цепной реакцией, чтобы объяснить так называемые квантовые выходы. Это означает, что один фотон света может приводить к образованию до 10⁶ молекул продукта HCl. Нернст предположил, что фотон диссоциирует молекулу Cl₂ на два атома Cl, каждый из которых инициирует длинную цепь реакционных стадий с образованием HCl. В 1923 году датский и голландский ученые Дж. А. Кристиансен и Хендрик Антони Крамерс, анализируя образование полимеров, указали на то, что такая цепная реакция не обязательно должна начинаться с молекулы, возбужденной светом, но также может начинаться с двух молекул, сталкивающихся с большой энергией из-за тепловой энергии, как это было предложено ранее ван’т Гоффом для инициирования химических реакций. Семенов разделил Нобелевскую премию в 1956 году с Сирилом Норманом Хиншельвудом, который независимо разработал многие из тех же количественных концепций.

Лавинный распад полупроводников

Процесс лавинного пробоя может происходить в полупроводниках, которые в некотором смысле проводят электричество аналогично слабо ионизированному газу. Полупроводники используют свободные электроны, выбиваемые из кристаллической решетки тепловыми колебаниями для обеспечения проводимости. Таким образом, в отличие от металлов, проводимость полупроводников увеличивается с ростом температуры. Это создает условия для возникновения положительной обратной связи: тепло, выделяемое протекающим током, повышает температуру, что увеличивает концентрацию носителей заряда, снижает сопротивление и, как следствие, увеличивает ток. Этот процесс может продолжаться до полного пробоя нормального сопротивления в полупроводниковом переходе и выхода устройства из строя (это может быть временным или постоянным, в зависимости от наличия физических повреждений кристалла). Некоторые устройства, такие как лавинные диоды, специально используют этот эффект.

Живые организмы

Примеры цепных реакций в живых организмах включают возбуждение нейронов при эпилепсии и перекисное окисление липидов. При перекисном окислении липидный радикал реагирует с кислородом, образуя пероксильный радикал (L• + O2 → LOO•). Пероксильный радикал затем окисляет другой липид, тем самым образуя новый липидный радикал (LOO• + L–H → LOOH + L•). Цепная реакция в глутаматергических синапсах является причиной синхронного разряда при некоторых эпилептических приступах.