Zu Nukleinsäuren umfassen hochpolymere Verbindungen, die während der Hydrolyse in Purin- und Pyrimidinbasen, Pentose und Phosphorsäure zerfallen. Nukleinsäuren enthalten Kohlenstoff, Wasserstoff, Phosphor, Sauerstoff und Stickstoff. Es gibt zwei Klassen von Nukleinsäuren: Ribonukleinsäuren (RNA) und Desoxyribonukleinsäuren (DNA).

Struktur und Funktionen der DNA

DNS- ein Polymer, dessen Monomere Desoxyribonukleotide sind. Das Modell der räumlichen Struktur des DNA-Moleküls in Form einer Doppelhelix wurde 1953 von J. Watson und F. Crick vorgeschlagen (um dieses Modell zu erstellen, verwendeten sie die Arbeiten von M. Wilkins, R. Franklin, E. Chargaff).

DNA-Molekül gebildet aus zwei Polynukleotidketten, die spiralförmig umeinander und zusammen um eine imaginäre Achse verdreht sind, d.h. ist eine Doppelhelix (Ausnahme - einige DNA-haltige Viren haben einzelsträngige DNA). Der Durchmesser der DNA-Doppelhelix beträgt 2 nm, der Abstand zwischen benachbarten Nukleotiden 0,34 nm und es gibt 10 Nukleotidpaare pro Windung der Helix. Die Länge des Moleküls kann mehrere Zentimeter erreichen. Molekulargewicht - Dutzende und Hunderte von Millionen. Die Gesamtlänge der DNA im menschlichen Zellkern beträgt etwa 2 m. In eukaryotischen Zellen bildet DNA Komplexe mit Proteinen und hat eine spezifische räumliche Konformation.

DNA-Monomer - Nukleotid (Desoxyribonukleotid)- besteht aus Resten von drei Substanzen: 1) einer stickstoffhaltigen Base, 2) einem Monosaccharid mit fünf Kohlenstoffatomen (Pentose) und 3) Phosphorsäure. Die stickstoffhaltigen Basen von Nukleinsäuren gehören zu den Klassen der Pyrimidine und Purine. Pyrimidinbasen der DNA(haben einen Ring in ihrem Molekül) - Thymin, Cytosin. Purinbasen(haben zwei Ringe) - Adenin und Guanin.

Das Monosaccharid des DNA-Nukleotids wird durch Desoxyribose dargestellt.

Der Name des Nukleotids leitet sich vom Namen der entsprechenden Base ab. Nukleotide und stickstoffhaltige Basen sind durch Großbuchstaben gekennzeichnet.

Eine Polynukleotidkette wird als Ergebnis von Nukleotidkondensationsreaktionen gebildet. In diesem Fall zwischen dem 3 "-Kohlenstoff des Desoxyriboserests eines Nukleotids und dem Phosphorsäurerest des anderen, Phosphoetherbindung(gehört zur Kategorie der starken kovalenten Bindungen). Ein Ende der Polynukleotidkette endet mit einem 5"-Kohlenstoff (es wird als 5"-Ende bezeichnet), das andere endet mit einem 3"-Kohlenstoff (3"-Ende).

Einer Nukleotidkette steht eine zweite Kette gegenüber. Die Anordnung der Nukleotide in diesen beiden Ketten ist nicht zufällig, sondern fest definiert: Thymin liegt immer gegenüber dem Adenin der einen Kette in der anderen Kette, und Cytosin steht immer gegenüber Guanin, zwischen Adenin und Thymin entstehen zwei Wasserstoffbrückenbindungen, drei Wasserstoffbrücken Bindungen zwischen Guanin und Cytosin. Das Muster, nach dem die Nukleotide verschiedener DNA-Stränge streng geordnet sind (Adenin - Thymin, Guanin - Cytosin) und sich selektiv miteinander verbinden, wird als bezeichnet das Prinzip der Komplementarität. Es sei darauf hingewiesen, dass J. Watson und F. Crick das Prinzip der Komplementarität verstanden, nachdem sie die Werke von E. Chargaff gelesen hatten. E. Chargaff, der eine große Anzahl von Proben von Geweben und Organen verschiedener Organismen untersucht hatte, stellte fest, dass in jedem DNA-Fragment der Gehalt an Guaninresten immer genau dem Gehalt an Cytosin und Adenin an Thymin entspricht ( "Chargaffs Regel"), aber er konnte sich diese Tatsache nicht erklären.

Aus dem Prinzip der Komplementarität folgt, dass die Nukleotidsequenz einer Kette die Nukleotidsequenz einer anderen bestimmt.

DNA-Stränge sind antiparallel (entgegengesetzt), d.h. Nukleotide verschiedener Ketten befinden sich in entgegengesetzten Richtungen, und daher befindet sich gegenüber dem 3"-Ende einer Kette das 5"-Ende der anderen. Das DNA-Molekül wird manchmal mit einer Wendeltreppe verglichen. Das "Geländer" dieser Leiter ist das Zucker-Phosphat-Rückgrat (alternierende Reste von Desoxyribose und Phosphorsäure); "Stufen" sind komplementäre stickstoffhaltige Basen.

Funktion der DNA- Speicherung und Übertragung von Erbinformationen.

Replikation (Reduktion) von DNA

- der Prozess der Selbstverdopplung, die Haupteigenschaft des DNA-Moleküls. Die Replikation gehört zur Kategorie der Matrixsynthesereaktionen und beinhaltet Enzyme. Unter der Wirkung von Enzymen entwindet sich das DNA-Molekül, und um jeden als Matrize dienenden Strang wird gemäß den Prinzipien der Komplementarität und Antiparallelität ein neuer Strang vervollständigt. Somit ist in jeder Tochter-DNA ein Strang der Elternstrang und der zweite Strang wird neu synthetisiert. Diese Art der Synthese nennt man halbkonservativ.

Der "Baustoff" und die Energiequelle für die Replikation sind Desoxyribonukleosidtriphosphate(ATP, TTP, GTP, CTP) mit drei Phosphorsäureresten. Wenn Desoxyribonukleosidtriphosphate in die Polynukleotidkette eingeschlossen sind, werden zwei endständige Phosphorsäurereste abgespalten und die freigesetzte Energie wird verwendet, um eine Phosphodiesterbindung zwischen Nukleotiden zu bilden.

An der Replikation sind folgende Enzyme beteiligt:

1. Helikasen ("Abwickeln"-DNA);
2. destabilisierende Proteine;
3. DNA-Topoisomerasen (geschnittene DNA);
4. DNA-Polymerasen (wählen Desoxyribonukleosidtriphosphate aus und fügen sie komplementär an die DNA-Matrizenkette an);
5. RNA-Primasen (bilden RNA-Primer, Primer);
6. DNA-Ligasen (vernähen DNA-Fragmente).

Mit Hilfe von Helikasen wird die DNA in bestimmten Bereichen entdrillt, einzelsträngige DNA-Bereiche werden durch destabilisierende Proteine ​​gebunden und Replikationsgabel. Bei einer Abweichung von 10 Nukleotidpaaren (eine Windung der Helix) muss das DNA-Molekül eine vollständige Umdrehung um seine Achse vollziehen. Um diese Rotation zu verhindern, schneidet die DNA-Topoisomerase einen DNA-Strang und lässt ihn um den zweiten Strang rotieren.

DNA-Polymerase kann nur ein Nukleotid an das 3"-Kohlenstoffatom der Desoxyribose des vorherigen Nukleotids binden, daher kann sich dieses Enzym nur in eine Richtung entlang der Matrizen-DNA bewegen: vom 3"-Ende zum 5"-Ende dieser Matrizen-DNA Da die Ketten in der mütterlichen DNA antiparallel sind, erfolgt der Zusammenbau der Tochter-Polynukleotidketten auf ihren verschiedenen Ketten auf unterschiedliche Weise und in entgegengesetzten Richtungen.Auf der 3 "-5"-Kette verläuft die Synthese der Tochter-Polynukleotidkette ohne Unterbrechung; diese Tochterkette wird aufgerufen führend. An der Kette 5 "-3" - zeitweise, in Fragmenten ( Fragmente von Okazaki), die nach Abschluss der Replikation durch DNA-Ligasen zu einem Strang fusioniert werden; diese untergeordnete Kette wird aufgerufen zurückbleibend (Entwicklungsrückstand).

Ein Merkmal der DNA-Polymerase ist, dass sie ihre Arbeit nur mit beginnen kann "Saatgut" (Grundierung). Die Rolle der "Seeds" übernehmen kurze RNA-Sequenzen, die unter Beteiligung des RNA-Primase-Enzyms gebildet und mit Matrizen-DNA gepaart werden. RNA-Primer werden nach Abschluss des Zusammenbaus von Polynukleotidketten entfernt.

Die Replikation verläuft in Prokaryoten und Eukaryoten ähnlich. Die Geschwindigkeit der DNA-Synthese in Prokaryoten ist um eine Größenordnung höher (1000 Nukleotide pro Sekunde) als in Eukaryoten (100 Nukleotide pro Sekunde). Die Replikation beginnt gleichzeitig in mehreren Regionen des DNA-Moleküls. Ein Stück DNA von einem Replikationsursprung zu einem anderen bildet eine Replikationseinheit - Replikon.

Die Replikation findet vor der Zellteilung statt. Dank dieser Fähigkeit der DNA erfolgt die Übertragung der Erbinformation von der Mutterzelle auf die Tochterzellen.

Reparatur ("Reparatur")

Wiedergutmachungen ist der Prozess der Reparatur von Schäden an der Nukleotidsequenz der DNA. Sie wird von speziellen Enzymsystemen der Zelle durchgeführt ( Enzyme reparieren). Bei der DNA-Strukturreparatur können folgende Phasen unterschieden werden: 1) DNA-reparierende Nukleasen erkennen und entfernen den beschädigten Bereich, wodurch eine Lücke in der DNA-Kette entsteht; 2) DNA-Polymerase füllt diese Lücke, indem sie Informationen vom zweiten („guten“) Strang kopiert; 3) DNA-Ligase „vernetzt“ die Nukleotide und vervollständigt die Reparatur.

Drei Reparaturmechanismen wurden am meisten untersucht: 1) Photoreparatur, 2) Exzisions- oder prä-replikative Reparatur, 3) post-replikative Reparatur.

Unter dem Einfluss von reaktiven Metaboliten, UV-Strahlung, Schwermetallen und deren Salzen usw. treten in der Zelle ständig Veränderungen in der Struktur der DNA auf. Daher erhöhen Defekte in Reparatursystemen die Rate von Mutationsprozessen und sind die Ursache für Erbkrankheiten (Xerodermie Pigmentosa, Progerie usw.).

Struktur und Funktionen der RNA

ist ein Polymer, dessen Monomere sind Ribonukleotide. Anders als DNA wird RNA nicht aus zwei, sondern aus einer Polynukleotidkette gebildet (Ausnahme - einige RNA-haltige Viren haben doppelsträngige RNA). RNA-Nukleotide sind in der Lage, Wasserstoffbrückenbindungen miteinander zu bilden. RNA-Ketten sind viel kürzer als DNA-Ketten.

RNA-Monomer - Nukleotid (Ribonukleotid)- besteht aus Resten von drei Substanzen: 1) einer stickstoffhaltigen Base, 2) einem Monosaccharid mit fünf Kohlenstoffatomen (Pentose) und 3) Phosphorsäure. Die stickstoffhaltigen Basen der RNA gehören ebenfalls zu den Klassen der Pyrimidine und Purine.

Die Pyrimidinbasen der RNA sind Uracil, Cytosin und die Purinbasen sind Adenin und Guanin. Das RNA-Nukleotid-Monosaccharid wird durch Ribose repräsentiert.

Zuordnen drei Arten von RNA: 1) informativ(Matrix) RNA - mRNA (mRNA), 2) Transport RNA - tRNA, 3) ribosomal RNA - rRNA.

Alle Arten von RNA sind unverzweigte Polynukleotide, haben eine spezifische räumliche Konformation und sind an Prozessen der Proteinsynthese beteiligt. In der DNA sind Informationen über die Struktur aller Arten von RNA gespeichert. Der Prozess der RNA-Synthese auf einer DNA-Matrize wird als Transkription bezeichnet.

RNA übertragen enthalten normalerweise 76 (von 75 bis 95) Nukleotide; Molekulargewicht - 25.000-30.000 Der Anteil der tRNA macht etwa 10% des gesamten RNA-Gehalts in der Zelle aus. tRNA-Funktionen: 1) Transport von Aminosäuren zum Ort der Proteinsynthese, zu Ribosomen, 2) Translationsmediator. Etwa 40 Arten von tRNA kommen in der Zelle vor, jede von ihnen hat eine nur für sie charakteristische Nukleotidsequenz. Alle tRNAs haben jedoch mehrere intramolekulare komplementäre Regionen, wodurch tRNAs eine Konformation annehmen, die in ihrer Form einem Kleeblatt ähnelt. Jede tRNA hat eine Schleife für den Kontakt mit dem Ribosom (1), eine Anticodonschleife (2), eine Schleife für den Kontakt mit dem Enzym (3), einen Akzeptorstamm (4) und ein Anticodon (5). Die Aminosäure ist an das 3'-Ende des Akzeptorstamms gebunden. Anticodon- drei Nukleotide, die das mRNA-Codon "erkennen". Es sollte betont werden, dass eine bestimmte tRNA eine streng definierte Aminosäure transportieren kann, die ihrem Anticodon entspricht. Die Spezifität der Verbindung von Aminosäuren und tRNA wird durch die Eigenschaften des Enzyms Aminoacyl-tRNA-Synthetase erreicht.

Ribosomale RNA enthalten 3000-5000 Nukleotide; Molekulargewicht - 1.000.000-1.500.000 rRNA macht 80-85% des gesamten RNA-Gehalts in der Zelle aus. In Kombination mit ribosomalen Proteinen bildet rRNA Ribosomen – Organellen, die die Proteinsynthese durchführen. In eukaryotischen Zellen findet die rRNA-Synthese im Nukleolus statt. rRNA-Funktionen: 1) ein notwendiger struktureller Bestandteil von Ribosomen und stellt somit die Funktion von Ribosomen sicher; 2) Gewährleistung der Interaktion von Ribosom und tRNA; 3) anfängliche Bindung des Ribosoms und des mRNA-Initiatorcodons und Bestimmung des Leserahmens, 4) Bildung des aktiven Zentrums des Ribosoms.

Informationen RNA unterschiedlich in Nukleotidgehalt und Molekulargewicht (von 50.000 bis 4.000.000). Der Anteil der mRNA macht bis zu 5 % des gesamten RNA-Gehalts in der Zelle aus. Funktionen von mRNA: 1) Übertragung genetischer Information von DNA auf Ribosomen, 2) eine Matrix für die Synthese eines Proteinmoleküls, 3) Bestimmung der Aminosäuresequenz der Primärstruktur eines Proteinmoleküls.

Die Struktur und Funktionen von ATP

Adenosintriphosphorsäure (ATP) ist eine universelle Quelle und Hauptspeicher von Energie in lebenden Zellen. ATP kommt in allen pflanzlichen und tierischen Zellen vor. Die ATP-Menge beträgt durchschnittlich 0,04 % (der Rohmasse der Zelle), die größte ATP-Menge (0,2-0,5 %) findet sich in der Skelettmuskulatur.

ATP besteht aus Resten: 1) einer stickstoffhaltigen Base (Adenin), 2) einem Monosaccharid (Ribose), 3) drei Phosphorsäuren. Da ATP nicht einen, sondern drei Phosphorsäurereste enthält, gehört es zu den Ribonukleosidtriphosphaten.

Für die meisten in Zellen auftretenden Arbeiten wird die Energie der ATP-Hydrolyse verwendet. Gleichzeitig wird bei der Abspaltung des endständigen Phosphorsäurerests ATP in ADP (Adenosindiphosphorsäure) umgewandelt, bei der Abspaltung des zweiten Phosphorsäurerests wird es zu AMP (Adenosinmonophosphorsäure). Die Ausbeute an freier Energie bei der Eliminierung sowohl der endständigen als auch der zweiten Phosphorsäurereste beträgt jeweils 30,6 kJ. Mit der Spaltung der dritten Phosphatgruppe werden nur noch 13,8 kJ freigesetzt. Die Bindungen zwischen dem terminalen und dem zweiten, zweiten und ersten Phosphorsäurerest werden als makroergisch (hochenergetisch) bezeichnet.

ATP-Reserven werden ständig aufgefüllt. In den Zellen aller Organismen erfolgt die ATP-Synthese im Rahmen der Phosphorylierung, d.h. Zugabe von Phosphorsäure zu ADP. Die Phosphorylierung erfolgt mit unterschiedlicher Intensität während der Atmung (Mitochondrien), der Glykolyse (Zytoplasma), der Photosynthese (Chloroplasten).

ATP ist das Hauptverbindungsglied zwischen Prozessen, bei denen Energie freigesetzt und gespeichert wird, und Prozessen, die Energie benötigen. Außerdem ist ATP zusammen mit anderen Ribonukleosidtriphosphaten (GTP, CTP, UTP) ein Substrat für die RNA-Synthese.

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Für die Weiterentwicklung der Kernphysik (insbesondere zur Untersuchung der Struktur von Atomkernen) wurden spezielle Geräte benötigt, mit denen Kerne und verschiedene Teilchen registriert sowie ihre Wechselwirkungen untersucht werden konnten.

Eines der Ihnen bekannten Partikelnachweisverfahren - das Szintillationsverfahren - liefert nicht die notwendige Genauigkeit, da das Ergebnis der Zählung von Blitzen auf dem Bildschirm stark von der Sehschärfe des Betrachters abhängt. Außerdem ist eine Langzeitbeobachtung unmöglich, da das Auge schnell ermüdet.

Ein fortschrittlicheres Gerät zur Registrierung von Teilchen ist der sogenannte Geigerzähler, der 1908 vom deutschen Physiker Hans Geiger erfunden wurde.

Um das Gerät und das Funktionsprinzip dieses Geräts zu betrachten, wenden wir uns Abbildung 159 zu. Der Geigerzähler besteht aus einem Metallzylinder, der die Kathode (d. H. Eine negativ geladene Elektrode) ist, und einem dünnen Draht, der entlang seiner Achse gespannt ist - die Anode (d. h. positive Elektrode). Kathode und Anode sind über den Widerstand R mit einer Hochspannungsquelle (in der Größenordnung von 200-1000 V) verbunden, wodurch im Raum zwischen den Elektroden ein starkes elektrisches Feld entsteht. Beide Elektroden befinden sich in einem verschlossenen Glasrohr, das mit einem verdünnten Gas (normalerweise Argon) gefüllt ist.

Reis. 159. Diagramm des Gerätes des Geigerzählers

Solange das Gas nicht ionisiert ist, fließt kein Strom im Stromkreis der Spannungsquelle. Fliegt jedoch ein Teilchen, das Gasatome ionisieren kann, durch dessen Wände in die Röhre ein, so bildet sich in der Röhre eine gewisse Menge an Elektron-Ionen-Paaren. Elektronen und Ionen beginnen sich zu den entsprechenden Elektroden zu bewegen.

Wenn die elektrische Feldstärke hoch genug ist, dann erhalten die Elektronen auf der mittleren freien Weglänge (d. h. zwischen Stößen mit Gasmolekülen) eine ausreichend große Energie und ionisieren auch Gasatome, wodurch eine neue Generation von Ionen und Elektronen gebildet wird, die ebenfalls aufnehmen können an der Ionisation beteiligt usw. In der Röhre bildet sich eine sogenannte Elektronen-Ionen-Lawine, wodurch die Stromstärke im Stromkreis und die Spannung am Widerstand R kurzzeitig und stark ansteigen. Dieser Spannungsimpuls, der anzeigt, dass ein Partikel in den Zähler eingedrungen ist, wird von einem speziellen Gerät aufgezeichnet.

Da der Widerstand R sehr hoch ist (in der Größenordnung von 10 9 Ohm), fällt im Moment des Stromflusses der Hauptanteil der Quellenspannung genau darauf ab, wodurch die Spannung zwischen Kathode und Anode abnimmt scharf und die Entladung stoppt automatisch (da diese Spannung für die Bildung neuer Generationen von Elektron-Ionen-Paaren nicht mehr ausreicht). Das Gerät ist bereit, das nächste Partikel zu registrieren.

Der Geigerzähler wird hauptsächlich zur Registrierung von Elektronen verwendet, aber es gibt Modelle, die auch zur Registrierung von γ-Quanten geeignet sind.

Mit dem Zähler können Sie nur registrieren, dass ein Partikel durch ihn hindurchfliegt. Viel größere Möglichkeiten zum Studium des Mikrokosmos bietet das 1912 vom schottischen Physiker Charles Wilson erfundene Gerät namens Nebelkammer.

Die Nebelkammer (Abb. 160) besteht aus einem niedrigen Glaszylinder CC mit einer Glasabdeckung LL (der Zylinder ist in der Abbildung im Schnitt dargestellt). Kolben P kann sich innerhalb des Zylinders bewegen Am Boden der Kammer befindet sich ein schwarzes Tuch FF. Da das Gewebe mit einer Mischung aus Wasser und Ethylalkohol befeuchtet wird, ist die Luft in der Kammer mit Dämpfen dieser Flüssigkeiten gesättigt.

Reis. 160. Schema der Nebelkammer des Geräts

Mit der schnellen Abwärtsbewegung des Kolbens dehnen sich Luft und Flüssigkeitsdämpfe in der Kammer aus, ihre innere Energie nimmt ab und die Temperatur nimmt ab.

Unter normalen Bedingungen würde dies zu Dampfkondensation (Nebel) führen. Dies geschieht jedoch nicht in der Nebelkammer, da dort zuvor die sogenannten Kondensationskeime (Staubpartikel, Ionen etc.) entfernt werden. Daher werden in diesem Fall, wenn die Temperatur in der Kammer abnimmt, die Flüssigkeitsdämpfe übersättigt, d. h. sie gehen in einen extrem instabilen Zustand über, in dem sie leicht auf irgendwelchen in der Kammer gebildeten Kondensationskernen kondensieren, beispielsweise auf Ionen.

Die untersuchten Partikel werden durch ein dünnes Fenster in die Kammer eingelassen (manchmal befindet sich die Partikelquelle in der Kammer). Die Partikel fliegen mit hoher Geschwindigkeit durch das Gas und erzeugen auf ihrem Weg Ionen. Diese Ionen werden zu Kondensationskernen, an denen Flüssigkeitsdämpfe in Form kleiner Tröpfchen kondensieren (Wasserdampf kondensiert hauptsächlich an negativen Ionen, Ethylalkoholdampf an positiven). Entlang des gesamten Pfades des Partikels erscheint eine dünne Tröpfchenspur (Spur), wodurch seine Bewegungsbahn sichtbar wird.

Stellt man eine Nebelkammer in ein Magnetfeld, dann sind die Bahnen geladener Teilchen gekrümmt. Anhand der Richtung der Spurkrümmung kann man das Vorzeichen der Ladung des Teilchens beurteilen, und anhand des Krümmungsradius kann man seine Masse, Energie und Ladung bestimmen.

In der Kammer gibt es nicht lange Spuren, da sich die Luft erwärmt, Wärme von den Wänden der Kammer erhält und die Tröpfchen verdunsten. Um neue Spuren zu erhalten, ist es notwendig, die vorhandenen Ionen mit einem elektrischen Feld zu entfernen, die Luft mit einem Kolben zu komprimieren, zu warten, bis sich die während der Kompression erwärmte Luft in der Kammer abkühlt, und eine neue Expansion durchzuführen.

Üblicherweise werden Partikelspuren in einer Nebelkammer nicht nur beobachtet, sondern auch fotografiert. In diesem Fall wird die Kammer von der Seite mit einem starken Lichtstrahl beleuchtet, wie in Abbildung 160 gezeigt.

Mit der Nebelkammer wurden einige wichtige Entdeckungen auf dem Gebiet der Kernphysik und der Elementarteilchenphysik gemacht.

Eine der Varianten der Nebelkammer ist die 1952 erfundene Blasenkammer. Sie arbeitet ungefähr nach dem gleichen Prinzip wie eine Nebelkammer, verwendet aber anstelle von übersättigtem Dampf eine über den Siedepunkt überhitzte Flüssigkeit (z. B. flüssigen Wasserstoff). Wenn sich ein geladenes Teilchen in dieser Flüssigkeit entlang seiner Flugbahn bewegt, entsteht eine Reihe von Dampfblasen. Die Blasenkammer ist schneller als die Nebelkammer.

Fragen

1. Erzählen Sie uns gemäß Abbildung 159 über das Gerät und das Funktionsprinzip des Geigerzählers.
2. Welche Art von Partikeln werden in einem Geigerzähler verwendet?
3. Erzählen Sie uns gemäß Abbildung 160 über das Gerät und das Funktionsprinzip der Nebelkammer.
4. Welche Eigenschaften von Partikeln lassen sich mit einer in einem Magnetfeld platzierten Nebelkammer bestimmen?
5. Was ist der Vorteil einer Blasenkammer gegenüber einer Nebelkammer? Wie unterscheiden sich diese Geräte?

Elementarteilchen lassen sich anhand der Spuren beobachten, die sie beim Durchgang durch Materie hinterlassen. Die Art der Spuren ermöglicht es, das Vorzeichen der Ladung des Teilchens, seine Energie und seinen Impuls zu beurteilen. Geladene Teilchen verursachen eine Ionisierung von Molekülen auf ihrem Weg. Neutrale Teilchen hinterlassen auf ihrem Weg keine Spuren, aber sie können sich im Moment des Zerfalls in geladene Teilchen oder im Moment der Kollision mit einem beliebigen Kern offenbaren. Daher werden neutrale Teilchen auch durch Ionisation nachgewiesen, die durch erzeugte oder geladene Teilchen verursacht wird.

Gasentladungs-Geigerzähler. Ein Geigerzähler ist ein Gerät zum automatischen Zählen von Partikeln. Der Zähler besteht aus einem Glasrohr, das von innen mit einer Metallschicht (Kathode) und einem dünnen Metallfaden, der entlang der Rohrachse verläuft (Anode), bedeckt ist.

Das Rohr ist üblicherweise mit einem Edelgas (Argon) gefüllt. Der Betrieb des Gerätes basiert auf Stoßionisation. Ein durch ein Gas fliegendes geladenes Teilchen kollidiert mit Atomen, wodurch positive Gasionen und Elektronen entstehen. Das elektrische Feld zwischen Kathode und Anode beschleunigt die Elektronen auf Energien, bei denen die Stoßionisation einsetzt. Es entsteht eine Lawine von Ionen und Elektronen, und der Strom durch den Zähler steigt stark an. Dabei wird am Lastwiderstand R ein Spannungsimpuls gebildet, der der Zähleinrichtung zugeführt wird.

Der Geigerzähler wird hauptsächlich zur Registrierung von Elektronen und -quanten verwendet. Die Registrierung von schweren Partikeln (z. B. -Partikeln) ist schwierig, da es schwierig ist, ein ausreichend dünnes "Fenster" für diese Partikel im Zähler transparent zu machen.

Nebelkammer. In einer 1912 erbauten Nebelkammer hinterlässt ein geladenes Teilchen eine Spur, die direkt beobachtet oder fotografiert werden kann. Die Funktionsweise der Kammer basiert auf der Kondensation von übersättigtem Wasserdampf an Ionen zu Wassertröpfchen. Diese Ionen werden entlang seiner Flugbahn von einem sich bewegenden geladenen Teilchen erzeugt. Aus der Länge der Spur, die das Teilchen hinterlässt, kann man die Energie des Teilchens bestimmen, und aus der Anzahl der Tröpfchen pro Längeneinheit der Spur kann man seine Geschwindigkeit abschätzen. Hochgeladene Teilchen hinterlassen eine dickere Spur.

Blasenkammer. 1952 Der amerikanische Wissenschaftler D. Glaser schlug vor, Partikelspuren mit einer überhitzten Flüssigkeit aufzuspüren. Ein durch die Kammer fliegendes ionisierendes Teilchen verursacht ein schnelles Sieden der Flüssigkeit, wodurch sich herausstellt, dass die Spur des Teilchens durch eine Kette von Dampfblasen angezeigt wird - es entsteht eine Spur.

Emulsionskammer. Sowjetische Physiker L.V. Mysovsky und A.P. Zhdanov war der erste, der fotografische Platten zur Registrierung von Mikropartikeln verwendete. Geladene Teilchen haben die gleiche Wirkung auf die fotografische Emulsion wie Photonen. Daher wird nach der Entwicklung der Platte in der Emulsion eine sichtbare Spur (Spur) des fliegenden Teilchens gebildet. Ein Nachteil des fotografischen Plattenverfahrens war die geringe Dicke der Emulsionsschicht, wodurch vollständig nur Spuren von parallel zur Schichtebene liegenden Partikeln erhalten wurden.

In Emulsionskammern werden dicke Packungen aus einzelnen Schichten fotografischer Emulsion einer Strahlung ausgesetzt. Dieses Verfahren wurde als Verfahren der fotografischen Dickschichtemulsionen bezeichnet.

In diesem Artikel helfen wir bei der Vorbereitung auf eine Unterrichtsstunde in Physik (Klasse 9). Teilchenforschung ist kein gewöhnliches Thema, sondern ein sehr interessanter und spannender Ausflug in die Welt der molekularen Nuklearwissenschaften. Die Zivilisation war erst vor kurzem in der Lage, ein solches Fortschrittsniveau zu erreichen, und Wissenschaftler streiten sich immer noch, ob die Menschheit ein solches Wissen braucht. Denn wenn Menschen den Prozess einer Atomexplosion wiederholen können, die zur Entstehung des Universums führte, dann wird vielleicht nicht nur unser Planet, sondern der gesamte Kosmos zerstört.

Über welche Teilchen sprechen wir und warum sollten wir sie untersuchen?

Teilweise Antworten auf diese Fragen gibt das Studium der Physik. Die experimentelle Teilchenforschung ist eine Möglichkeit zu sehen, was dem Menschen selbst mit den leistungsstärksten Mikroskopen nicht zugänglich ist. Aber der Reihe nach.

Ein Elementarteilchen ist ein Sammelbegriff für Teilchen, die nicht mehr in kleinere Stücke zerlegt werden können. Insgesamt wurden mehr als 350 Elementarteilchen von Physikern entdeckt. Wir sind am meisten daran gewöhnt, von Protonen, Neuronen, Elektronen, Photonen, Quarks zu hören. Das sind die sogenannten Elementarteilchen.

Eigenschaften von Elementarteilchen

Alle kleinsten Teilchen haben die gleiche Eigenschaft: Sie können sich gegenseitig unter dem Einfluss ihres eigenen Einflusses umwandeln. Einige haben starke elektromagnetische Eigenschaften, andere haben schwache Gravitationseigenschaften. Aber alle Elementarteilchen sind durch folgende Parameter gekennzeichnet:

• Gewicht.
• Spin ist das intrinsische Moment des Impulses.
• Elektrische Ladung.
• Lebensdauer.
• Parität.
• magnetisches Moment.
• Baryonenladung.
• Leptonladung.

Ein kleiner Ausflug in die Theorie der Struktur der Materie

Jede Substanz besteht aus Atomen, die wiederum einen Kern und Elektronen haben. Elektronen bewegen sich wie die Planeten im Sonnensystem um den Kern, jedes auf seiner eigenen Achse. Der Abstand zwischen ihnen ist im atomaren Maßstab sehr groß. Der Kern besteht aus Protonen und Neuronen, die Verbindung zwischen ihnen ist so stark, dass es unmöglich ist, sie auf irgendeine Weise zu trennen, die der Wissenschaft bekannt ist. Dies ist die Essenz experimenteller Methoden zur Untersuchung von Teilchen (kurz).

Es fällt uns schwer, uns das vorzustellen, aber die nukleare Kommunikation übertrifft alle auf der Erde bekannten Kräfte um das Millionenfache. Wir kennen chemische, nukleare Explosionen. Aber was die Protonen und Neuronen zusammenhält, ist etwas anderes. Vielleicht ist dies der Schlüssel, um das Geheimnis des Ursprungs des Universums zu lüften. Deshalb ist es so wichtig, experimentelle Methoden zur Untersuchung von Teilchen zu studieren.

Zahlreiche Experimente führten Wissenschaftler auf die Idee, dass Neuronen aus noch kleineren Einheiten bestehen und nannten sie Quarks. Was in ihnen steckt, ist noch nicht bekannt. Aber Quarks sind untrennbare Einheiten. Das heißt, es gibt keine Möglichkeit, einen herauszuheben. Wenn Wissenschaftler Teilchenexperimente verwenden, um ein Quark zu isolieren, werden, egal wie viele Versuche sie unternehmen, immer mindestens zwei Quarks freigesetzt. Dies bestätigt einmal mehr die unzerstörbare Stärke des nuklearen Potenzials.

Welche Methoden gibt es, um Teilchen zu untersuchen?

Gehen wir direkt zu den experimentellen Methoden zur Untersuchung von Partikeln (Tabelle 1).

Methodenname		Funktionsprinzip
	Glühen (Lumineszenz)	Das radioaktive Medikament sendet Wellen aus, wodurch die Partikel kollidieren und einzelnes Leuchten beobachtet werden kann.
	Ionisierung von Gasmolekülen durch schnell geladene Teilchen	Es senkt den Kolben mit hoher Geschwindigkeit, was zu einer starken Abkühlung des Dampfes führt, der übersättigt wird. Kondensattröpfchen zeigen die Bahnen der Ionenkette an.
Blasenkammer	Flüssigkeitsionisation	Das Volumen des Arbeitsraums ist mit heißem flüssigem Wasserstoff oder Propan gefüllt, der mit Druck beaufschlagt wird. Bringen Sie den Zustand in einen überhitzten Zustand und reduzieren Sie den Druck stark. Geladene Teilchen, die mit noch mehr Energie wirken, bringen Wasserstoff oder Propan zum Sieden. Auf der Flugbahn, entlang der sich das Partikel bewegt hat, bilden sich Dampftröpfchen.
Szintillationsverfahren (Spinthariskop)	Glühen (Lumineszenz)	Wenn Gasmoleküle ionisiert werden, entsteht eine große Anzahl von Elektron-Ionen-Paaren. Je größer die Spannung, desto mehr freie Paare entstehen, bis sie einen Höhepunkt erreicht und kein einziges freies Ion mehr übrig ist. In diesem Moment registriert der Zähler das Teilchen. Dies ist eine der ersten experimentellen Methoden zur Untersuchung geladener Teilchen und wurde fünf Jahre später als der Geigerzähler erfunden – im Jahr 1912. Die Struktur ist einfach: ein Glaszylinder, innen - ein Kolben. Darunter befindet sich ein schwarzes Tuch, das mit Wasser und Alkohol getränkt ist, damit die Luft in der Kammer mit ihren Dämpfen gesättigt ist. Der Kolben beginnt sich zu senken und zu heben, wodurch Druck entsteht, wodurch das Gas abkühlt. Kondenswasser sollte sich bilden, ist aber nicht vorhanden, da kein Kondensationszentrum (Ion oder Staubkorn) in der Kammer vorhanden ist. Danach wird der Kolben angehoben, um Partikel zu erhalten - Ionen oder Staub. Das Teilchen beginnt sich zu bewegen und es bildet sich auf seiner Flugbahn Kondensat, was zu sehen ist. Der Weg, den ein Teilchen zurücklegt, wird Spur genannt. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass das Partikelspektrum zu klein ist. Dies führte zu einer fortschrittlicheren Theorie, die auf einem Gerät mit einem dichteren Medium basiert. Blasenkammer Die folgende experimentelle Methode zur Untersuchung von Teilchen hat ein ähnliches Funktionsprinzip wie eine Nebelkammer - Nur statt eines gesättigten Gases befindet sich eine Flüssigkeit in einem Glaskolben. Die Grundlage der Theorie ist, dass eine Flüssigkeit unter hohem Druck nicht über den Siedepunkt hinaus zu sieden beginnen kann. Aber sobald ein geladenes Teilchen erscheint, beginnt die Flüssigkeit entlang ihrer Bewegungsbahn zu kochen und geht in einen Dampfzustand über. Die Tröpfchen dieses Prozesses werden von einer Kamera erfasst. Methode der fotografischen Dickschichtemulsionen Kehren wir zurück zur Tabelle in Physik "Experimentelle Methoden zur Untersuchung von Teilchen". Darin wurde neben der Nebelkammer und dem Blasenverfahren ein Verfahren zum Nachweis von Partikeln unter Verwendung einer dickschichtigen fotografischen Emulsion betrachtet. Das Experiment wurde zuerst von den sowjetischen Physikern L.V. Mysovsky und A.P. Schdanow im Jahr 1928. Die Idee ist sehr einfach. Für Experimente wird eine Platte verwendet, die mit einer dicken Schicht fotografischer Emulsionen bedeckt ist. Diese photographische Emulsion besteht aus Silberbromidkristallen. Wenn ein geladenes Teilchen in einen Kristall eindringt, trennt es Elektronen vom Atom, die eine verborgene Kette bilden. Es kann durch Entwickeln des Films gesehen werden. Das resultierende Bild ermöglicht es Ihnen, die Energie und Masse des Teilchens zu berechnen. Tatsächlich ist die Spur sehr kurz und mikroskopisch klein. Aber die Methode ist gut, weil man das entwickelte Bild unendlich oft vergrößern und so besser studieren kann. Szintillationsverfahren Es wurde erstmals 1911 von Rutherford gehalten, obwohl die Idee etwas früher von einem anderen Wissenschaftler, W. Krupe, stammte. Obwohl der Unterschied 8 Jahre betrug, musste das Gerät in dieser Zeit verbessert werden. Das Grundprinzip besteht darin, dass ein mit einer lumineszierenden Substanz beschichteter Bildschirm Lichtblitze anzeigt, wenn ein geladenes Teilchen hindurchgeht. Atome einer Substanz werden angeregt, wenn sie einem Teilchen mit starker Energie ausgesetzt werden. Im Moment der Kollision tritt ein Blitz auf, der unter einem Mikroskop beobachtet wird. Diese Methode ist unter Physikern sehr unbeliebt. Es hat mehrere Nachteile. Erstens hängt die Genauigkeit der erhaltenen Ergebnisse sehr stark von der Sehschärfe der Person ab. Wenn Sie blinzeln, können Sie einen sehr wichtigen Moment verpassen. Das zweite ist, dass die Augen bei längerer Beobachtung sehr schnell ermüden und daher das Studium von Atomen unmöglich wird. Schlussfolgerungen Es gibt mehrere experimentelle Methoden zur Untersuchung geladener Teilchen. Da die Materieatome so klein sind, dass sie selbst mit dem stärksten Mikroskop schwer zu erkennen sind, müssen Wissenschaftler experimentieren, um zu verstehen, was sich in der Mitte des Zentrums befindet. In diesem Stadium der Entwicklung der Zivilisation wurde ein langer Weg zurückgelegt und die unzugänglichsten Elemente untersucht. Vielleicht liegen in ihnen die Geheimnisse des Universums.

Autor: Fomicheva S.E., Physiklehrer MBOU "Sekundarschule Nr. 27" der Stadt Kirow Methoden zur Registrierung und Beobachtung von Elementarteilchen Geigerzähler Nebelkammer Blasenkammer Fotoemulsionsmethode Szintillationsmethode Funkenkammer (1908) Entwickelt für automatisches Zählen von Partikel. Ermöglicht die Registrierung von bis zu 10.000 oder mehr Partikeln pro Sekunde. Registriert fast jedes Elektron (100%) und 1 von 100 Gammastrahlen (1%) Registrierung schwerer Teilchen ist schwierig Hans Wilhelm Geiger 1882-1945 Gerät: 2. Kathode - eine dünne Metallschicht 3. Anode - ein dünner Metallfaden 1. Glasröhre, gefüllt mit Argon 4. Registriergerät Zum Nachweis eines γ-Quants wird die Innenwand der Röhre mit einem Material bedeckt, aus dem γ-Quanten Elektronen herauslösen. Wirkprinzip: Die Wirkung beruht auf Stoßionisation. Ein geladenes Teilchen, das durch ein Gas fliegt, entfernt Elektronen aus Atomen. Es gibt eine Lawine von Elektronen und Ionen. Der Strom durch den Zähler steigt stark an. Über dem Widerstand R entsteht ein Spannungsimpuls, der von einer Zähleinrichtung erfasst wird. Die Spannung zwischen Anode und Kathode nimmt stark ab. Der Austrag stoppt, der Zähler ist wieder betriebsbereit (1912) Konzipiert zur Beobachtung und Gewinnung von Informationen über Partikel. Passiert ein Partikel, hinterlässt es eine Spur – eine Spur, die direkt beobachtet oder fotografiert werden kann. Nur geladene Teilchen sind fixiert, neutrale verursachen keine Ionisierung des Atoms, ihre Anwesenheit wird durch Sekundäreffekte beurteilt. Charles Thomson Reese Wilson 1869-1959 Gerät: 7. Kammer gefüllt mit Wasserdampf und Alkohol 1. Partikelquelle 2. Quarzglas 3. Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Feldes 6. Spuren 5. Kolben 4. Lüfter Funktionsprinzip: Der Betrieb basiert auf die Verwendung einer instabilen Zustandsumgebung. Der Dampf in der Kammer ist nahe an der Sättigung. Beim Absenken des Kolbens kommt es zu einer adiabatischen Expansion und der Dampf wird übersättigt. Wassertropfen bilden Spuren. Das fliegende Teilchen ionisiert die Atome, an denen der Dampf, der sich in einem instabilen Zustand befindet, kondensiert. Der Kolben hebt sich, die Tröpfchen verdampfen, das elektrische Feld entfernt die Ionen und die Kammer ist bereit, das nächste Teilchen aufzunehmen. durch die Anzahl der Tropfen pro Längeneinheit - über die Geschwindigkeit (je mehr N, desto v); Je nach Dicke der Spur - etwa die Größe der Ladung (je mehr d, desto q); je nach Krümmung der Spur in einem Magnetfeld etwa das Verhältnis der Ladung eines Teilchens zu seiner Masse (je mehr R, je mehr m und v, desto mehr q); In Richtung der Biegung etwa das Vorzeichen der Ladung des Teilchens. (1952) Entwickelt, um Partikel zu beobachten und Informationen über Partikel zu erhalten. Spuren werden untersucht, aber im Gegensatz zur Nebelkammer ermöglicht es die Untersuchung von Teilchen mit hohen Energien. Es hat eine kürzere Einschaltdauer - etwa 0,1 s. Ermöglicht es Ihnen, den Zerfall von Partikeln und die dadurch verursachten Reaktionen zu beobachten. Donald Arthur Glaser 1926-2013 Anordnung: Ähnlich einer Nebelkammer, jedoch wird anstelle von Dampf flüssiger Wasserstoff oder Propan verwendet, die Flüssigkeit steht unter hohem Druck bei einer Temperatur oberhalb des Siedepunktes. Der Kolben senkt sich, der Druck fällt ab und die Flüssigkeit befindet sich in einem instabilen, überhitzten Zustand. Dampfblasen bilden Spuren. Das fliegende Teilchen ionisiert die Atome, die zu Verdampfungszentren werden. Der Kolben steigt, der Dampf kondensiert, das elektrische Feld entfernt die Ionen und die Kammer ist bereit, das nächste Teilchen aufzunehmen (1895) Die Platte ist mit einer Emulsion bedeckt, die eine große Anzahl von Silberbromidkristallen enthält. Fliegend reißt das Teilchen Elektronen von Bromatomen ab, eine Kette solcher Kristalle bildet ein latentes Bild. Wenn es in diesen Kristallen entwickelt wird, wird metallisches Silber wiederhergestellt. Eine Kette aus Silberkörnern bildet eine Spur. Antoine Henri Becquerel Diese Methode ermöglicht es, seltene Phänomene zwischen Teilchen und Kernen zu registrieren. 1. Aluminiumfolie 4. Dynode 5. Anode 3. Fotokathode 2. Szintillator Bei der Szintillationsmethode werden winzige Lichtblitze gezählt, wenn α-Teilchen auf einen mit Zinksulfid beschichteten Schirm treffen. Es ist eine Kombination aus einem Szintillator und einem Photomultiplier. Alle Teilchen und 100 % der Gammaquanten werden registriert. Ermöglicht die Bestimmung der Energie der Teilchen. Stellt ein System paralleler Metallelektroden dar, deren Zwischenraum mit einem Inertgas gefüllt ist. Der Abstand zwischen den Platten beträgt 1 bis 10 cm, Entladungsfunken sind streng lokalisiert. Sie entstehen dort, wo es kostenlose Gebühren gibt. Funkenkammern können Abmessungen in der Größenordnung von mehreren Metern haben. Wenn ein Partikel zwischen den Platten hindurchgeht, bricht ein Funke durch und erzeugt eine feurige Spur. Der Vorteil ist, dass der Registrierungsprozess überschaubar ist.