В 1931 г. Физико-технический институт был разделен на четыре института. 15 октября 1931 г. постановлением Высшего Совета народного хозяйства на базе физико-химического сектора Ленинградского физико-химического института был образован Институт химической физики во главе с Н.Н. Семеновым, членом-корреспондентом АН СССР (1929). Он оставался директором института 55 лет, вплоть до 1986 г. Перед институтом была поставлена задача внедрения физических теорий и методов в химию, в химическую промышленность и другие отрасли народного хозяйства. Главным результатом научной деятельности института и его директора было создание новой области естествознания – химической физики. По определению Семенова, «химическая физика – это наука, описывающая основы химических превращений и связанные с этим вопросы строения вещества».
На базе теории теплового взрыва работами Семенова и его школы в1930–1950-е гг. были заложены основы современной теории горения и детонации газовых смесей, взрывчатых веществ и порохов, распространения пламени. В работе «К теории процессов горения» (1928) ученый сформулировал критические условия теплового взрыва, рассчитал предвзрывной разогрев. Под его руководством были выполнены исследования по приложению теории горения к практическим проблемам взрывных процессов.
Делом всей жизни Н.Н. Семенова стало открытие нового типа химических процессов – разветвленных цепных химических реакций – и их теоретическое объяснение. Цепные реакции представляют собой серию самоинициируемых стадий в химической реакции, которая, однажды начавшись, продолжается до тех пор, пока не будет пройдена последняя стадия. Возможность таких реакций впервые была предположена немецким химиком М. Боденштейном (1913), но теории, объясняющей стадии цепной реакции и показывающей ее скорость, не существовало. Особенно важной цепной реакцией является реакция разветвленной цепи, открытая физиками Г.А. Крамерсом и И.А. Кристиансеном (1923). В этой реакции свободные радикалы не только регенерируют активные центры, но и активно множатся, создавая новые цепи и заставляя реакцию идти все быстрее и быстрее. Фактический ход реакции зависит от ряда внешних ограничителей, например, таких, как размеры реактора, в котором она происходит, если число свободных радикалов быстро растет, то реакция может привести к взрыву.
Впервые это явление Семенов наблюдал в 1926 г. при изучении окисления паров фосфора водяными парами. Эта реакция шла не так, как ей следовало идти в соответствии с теориями химической кинетики того времени. Семенов увидел причину этого несоответствия в том, что имела место разветвленная цепная реакция. И хотя такое объяснение было отвергнуто М. Боденштейном, в то время признанным авторитетом по химической кинетике, продолжил свои исследования в этом направлении. Он показал, что в начальных стадиях скорость таких реакций со временем растет по экспоненциальному закону (закон Н.Н. Семенова, 1930).
В 1929 г. Н.Н. Семенов был избран членом-корреспондентом АН СССР, в 1932 г. – академиком.
