Ke asam nukleat termasuk senyawa polimer tinggi yang terurai selama hidrolisis menjadi basa purin dan pirimidin, pentosa dan asam fosfat. Asam nukleat mengandung karbon, hidrogen, fosfor, oksigen, dan nitrogen. Ada dua kelas asam nukleat: asam ribonukleat (RNA) dan asam deoksiribonukleat (DNA).

Struktur dan fungsi DNA

DNA- polimer yang monomernya adalah deoksiribonukleotida. Model struktur spasial molekul DNA dalam bentuk double helix diusulkan pada tahun 1953 oleh J. Watson dan F. Crick (untuk membangun model ini, mereka menggunakan karya M. Wilkins, R. Franklin, E. Chargaff).

molekul DNA dibentuk oleh dua rantai polinukleotida, dipilin secara spiral satu sama lain dan bersama-sama di sekitar sumbu imajiner, yaitu. adalah heliks ganda (pengecualian - beberapa virus yang mengandung DNA memiliki DNA untai tunggal). Diameter heliks ganda DNA adalah 2 nm, jarak antara nukleotida yang berdekatan adalah 0,34 nm, dan ada 10 pasang nukleotida per putaran heliks. Panjang molekulnya bisa mencapai beberapa sentimeter. Berat molekul - puluhan dan ratusan juta. Panjang total DNA dalam inti sel manusia adalah sekitar 2 m Pada sel eukariotik, DNA membentuk kompleks dengan protein dan memiliki konformasi spasial yang spesifik.

Monomer DNA - nukleotida (deoksiribonukleotida)- terdiri dari residu tiga zat: 1) basa nitrogen, 2) monosakarida berkarbon lima (pentosa) dan 3) asam fosfat. Basa nitrogen dari asam nukleat termasuk dalam kelas pirimidin dan purin. Basa pirimidin DNA(memiliki satu cincin dalam molekulnya) - timin, sitosin. basa purin(memiliki dua cincin) - adenin dan guanin.

Monosakarida nukleotida DNA diwakili oleh deoksiribosa.

Nama nukleotida berasal dari nama basa yang sesuai. Nukleotida dan basa nitrogen ditunjukkan dengan huruf kapital.

Rantai polinukleotida terbentuk sebagai hasil dari reaksi kondensasi nukleotida. Dalam hal ini, antara 3 "-karbon dari residu deoksiribosa dari satu nukleotida dan residu asam fosfat dari yang lain, ikatan fosfoeter(termasuk dalam kategori ikatan kovalen kuat). Salah satu ujung rantai polinukleotida berakhir dengan 5 "karbon (disebut ujung 5"), ujung lainnya dengan ujung 3 "karbon (3").

Terhadap satu rantai nukleotida adalah rantai kedua. Susunan nukleotida dalam dua rantai ini tidak acak, tetapi ditentukan secara ketat: timin selalu terletak di seberang adenin dari satu rantai di rantai lainnya, dan sitosin selalu terletak di seberang guanin, dua ikatan hidrogen muncul antara adenin dan timin, tiga hidrogen ikatan antara guanin dan sitosin. Pola yang dengannya nukleotida dari untaian DNA yang berbeda diatur secara ketat (adenin - timin, guanin - sitosin) dan secara selektif bergabung satu sama lain disebut prinsip saling melengkapi. Perlu dicatat bahwa J. Watson dan F. Crick mulai memahami prinsip saling melengkapi setelah membaca karya-karya E. Chargaff. E. Chargaff, setelah mempelajari sejumlah besar sampel jaringan dan organ berbagai organisme, menemukan bahwa dalam setiap fragmen DNA, kandungan residu guanin selalu sama persis dengan kandungan sitosin, dan adenin dengan timin ( "Aturan Chargaff"), tapi dia tidak bisa menjelaskan fakta ini.

Dari prinsip komplementaritas, maka urutan nukleotida dari satu rantai menentukan urutan nukleotida yang lain.

Untaian DNA bersifat antiparalel (berlawanan), yaitu nukleotida dari rantai yang berbeda terletak di arah yang berlawanan, dan, oleh karena itu, di seberang 3 "ujung satu rantai adalah ujung 5" dari yang lain. Molekul DNA kadang-kadang dibandingkan dengan tangga spiral. "Pagar" tangga ini adalah tulang punggung gula-fosfat (residu deoksiribosa dan asam fosfat bergantian); "langkah" adalah basa nitrogen komplementer.

Fungsi DNA- penyimpanan dan transmisi informasi turun-temurun.

Replikasi (reduplikasi) DNA

- proses penggandaan diri, sifat utama molekul DNA. Replikasi termasuk dalam kategori reaksi sintesis matriks dan melibatkan enzim. Di bawah aksi enzim, molekul DNA terlepas, dan di sekitar setiap untai yang bertindak sebagai cetakan, untaian baru diselesaikan sesuai dengan prinsip saling melengkapi dan antiparalelisme. Jadi, dalam setiap DNA anak, satu untai adalah untai induk, dan untai kedua baru disintesis. Sintesis semacam ini disebut semi konservatif.

"Bahan bangunan" dan sumber energi untuk replikasi adalah deoksiribonukleosida trifosfat(ATP, TTP, GTP, CTP) yang mengandung tiga residu asam fosfat. Ketika deoksiribonukleosida trifosfat termasuk dalam rantai polinukleotida, dua residu terminal asam fosfat dibelah, dan energi yang dilepaskan digunakan untuk membentuk ikatan fosfodiester antara nukleotida.

Enzim-enzim berikut terlibat dalam replikasi:

1. helikase (DNA "bersantai");
2. protein yang tidak stabil;
3. DNA topoisomerase (DNA potong);
4. DNA polimerase (pilih deoxyribonucleoside triphosphates dan tempelkan secara komplementer pada rantai cetakan DNA);
5. RNA primase (bentuk primer RNA, primer);
6. DNA ligase (menjahit fragmen DNA menjadi satu).

Dengan bantuan helikase, DNA tidak terpilin di daerah tertentu, daerah DNA untai tunggal diikat oleh protein yang tidak stabil, dan garpu replikasi. Dengan perbedaan 10 pasang nukleotida (satu putaran heliks), molekul DNA harus menyelesaikan revolusi lengkap di sekitar porosnya. Untuk mencegah rotasi ini, DNA topoisomerase memotong satu untai DNA, memungkinkannya berputar di sekitar untai kedua.

DNA polimerase hanya dapat menempelkan nukleotida ke karbon 3" deoksiribosa dari nukleotida sebelumnya, sehingga enzim ini dapat bergerak di sepanjang DNA templat hanya dalam satu arah: dari ujung 3" ke ujung 5" DNA templat ini. Karena rantai dalam DNA ibu adalah antiparalel , maka pada rantai yang berbeda perakitan rantai polinukleotida anak terjadi dengan cara yang berbeda dan dalam arah yang berlawanan.Pada rantai 3 "-5", sintesis rantai putri polinukleotida berlangsung tanpa gangguan; rantai putri ini akan disebut terkemuka. Pada rantai 5 "-3" - sebentar-sebentar, dalam fragmen ( pecahan Okazaki), yang, setelah selesainya replikasi oleh ligase DNA, menyatu menjadi satu untai; rantai anak ini akan disebut tertinggal (tertinggal).

Sebuah fitur dari DNA polimerase adalah bahwa ia dapat memulai pekerjaannya hanya dengan "biji" (primer). Peran "benih" dilakukan oleh sekuens RNA pendek yang dibentuk dengan partisipasi enzim RNA primase dan dipasangkan dengan DNA templat. Primer RNA dihilangkan setelah selesainya perakitan rantai polinukleotida.

Replikasi berlangsung serupa pada prokariota dan eukariota. Tingkat sintesis DNA pada prokariota adalah urutan besarnya lebih tinggi (1000 nukleotida per detik) daripada di eukariota (100 nukleotida per detik). Replikasi dimulai secara bersamaan di beberapa daerah molekul DNA. Sepotong DNA dari satu asal replikasi ke yang lain membentuk unit replikasi - replika.

Replikasi terjadi sebelum pembelahan sel. Berkat kemampuan DNA ini, transfer informasi herediter dari sel induk ke sel anak dilakukan.

Reparasi ("perbaikan")

ganti rugi adalah proses perbaikan kerusakan pada urutan nukleotida DNA. Hal ini dilakukan oleh sistem enzim khusus sel ( memperbaiki enzim). Tahapan berikut dapat dibedakan dalam proses perbaikan struktur DNA: 1) nuklease perbaikan DNA mengenali dan menghilangkan area yang rusak, sehingga terjadi celah pada rantai DNA; 2) DNA polimerase mengisi celah ini dengan menyalin informasi dari untaian kedua ("baik"); 3) DNA ligase “mengikat silang” nukleotida, menyelesaikan perbaikan.

Tiga mekanisme perbaikan telah dipelajari paling banyak: 1) fotoreparasi, 2) perbaikan cukai atau pra-replikasi, 3) perbaikan pasca-replika.

Perubahan struktur DNA terjadi terus-menerus di dalam sel di bawah pengaruh metabolit reaktif, radiasi ultraviolet, logam berat dan garamnya, dll. Oleh karena itu, cacat pada sistem perbaikan meningkatkan laju proses mutasi dan merupakan penyebab penyakit keturunan (xeroderma pigmentosa, progeria, dll).

Struktur dan fungsi RNA

adalah polimer yang monomernya adalah ribonukleotida. Tidak seperti DNA, RNA dibentuk bukan oleh dua, tetapi oleh satu rantai polinukleotida (pengecualian - beberapa virus yang mengandung RNA memiliki RNA untai ganda). Nukleotida RNA mampu membentuk ikatan hidrogen satu sama lain. Rantai RNA jauh lebih pendek daripada rantai DNA.

RNA monomer - nukleotida (ribonukleotida)- terdiri dari residu tiga zat: 1) basa nitrogen, 2) monosakarida berkarbon lima (pentosa) dan 3) asam fosfat. Basa nitrogen RNA juga termasuk dalam kelas pirimidin dan purin.

Basa pirimidin RNA adalah urasil, sitosin, dan basa purin adalah adenin dan guanin. Monosakarida nukleotida RNA diwakili oleh ribosa.

alokasikan tiga jenis RNA: 1) informasional(matriks) RNA - mRNA (mRNA), 2) mengangkut RNA - tRNA, 3) ribosom RNA-rRNA.

Semua jenis RNA adalah polinukleotida tidak bercabang, memiliki konformasi spasial tertentu dan mengambil bagian dalam proses sintesis protein. Informasi tentang struktur semua jenis RNA disimpan dalam DNA. Proses sintesis RNA pada cetakan DNA disebut transkripsi.

RNA transfer biasanya mengandung 76 (dari 75 hingga 95) nukleotida; berat molekul - 25.000-30.000 Bagian tRNA menyumbang sekitar 10% dari total konten RNA dalam sel. Fungsi tRNA: 1) transpor asam amino ke tempat sintesis protein, ke ribosom, 2) mediator translasi. Sekitar 40 jenis tRNA ditemukan di dalam sel, masing-masing memiliki karakteristik urutan nukleotida hanya untuk itu. Namun, semua tRNA memiliki beberapa daerah komplementer intramolekul, karena itu tRNA memperoleh konformasi yang menyerupai bentuk daun semanggi. Setiap tRNA memiliki loop untuk kontak dengan ribosom (1), loop antikodon (2), loop untuk kontak dengan enzim (3), batang akseptor (4), dan antikodon (5). Asam amino melekat pada ujung 3' batang akseptor. Antikodon- tiga nukleotida yang "mengenali" kodon mRNA. Harus ditekankan bahwa tRNA tertentu dapat mengangkut asam amino yang ditentukan secara ketat sesuai dengan antikodonnya. Kekhususan koneksi asam amino dan tRNA dicapai karena sifat-sifat enzim aminoasil-tRNA sintetase.

RNA ribosom mengandung 3000-5000 nukleotida; berat molekul - 1.000.000-1.500.000 rRNA menyumbang 80-85% dari total konten RNA dalam sel. Dalam kombinasi dengan protein ribosom, rRNA membentuk ribosom - organel yang melakukan sintesis protein. Pada sel eukariotik, sintesis rRNA terjadi di nukleolus. fungsi rRNA: 1) komponen struktural penting dari ribosom dan, dengan demikian, memastikan fungsi ribosom; 2) memastikan interaksi ribosom dan tRNA; 3) pengikatan awal ribosom dan kodon inisiator mRNA dan penentuan kerangka baca, 4) pembentukan pusat aktif ribosom.

RNA informasi bervariasi dalam kandungan nukleotida dan berat molekul (dari 50.000 hingga 4.000.000). Bagian mRNA menyumbang hingga 5% dari total konten RNA dalam sel. Fungsi mRNA: 1) transfer informasi genetik dari DNA ke ribosom, 2) matriks untuk sintesis molekul protein, 3) penentuan urutan asam amino dari struktur primer molekul protein.

Struktur dan fungsi ATP

Asam adenosin trifosfat (ATP) adalah sumber universal dan akumulator energi utama dalam sel hidup. ATP ditemukan di semua sel tumbuhan dan hewan. Jumlah ATP rata-rata 0,04% (dari massa mentah sel), jumlah terbesar ATP (0,2-0,5%) ditemukan di otot rangka.

ATP terdiri dari residu: 1) basa nitrogen (adenin), 2) monosakarida (ribosa), 3) tiga asam fosfat. Karena ATP tidak hanya mengandung satu, tetapi tiga residu asam fosfat, ATP termasuk dalam ribonukleosida trifosfat.

Untuk sebagian besar jenis pekerjaan yang terjadi dalam sel, energi hidrolisis ATP digunakan. Pada saat yang sama, ketika residu terminal asam fosfat dibelah, ATP diubah menjadi ADP (asam adenosin difosfat), ketika residu asam fosfat kedua dipecah, menjadi AMP (asam adenosin monofosfat). Hasil energi bebas selama eliminasi kedua terminal dan residu kedua asam fosfat masing-masing adalah 30,6 kJ. Pemecahan gugus fosfat ketiga disertai dengan pelepasan hanya 13,8 kJ. Ikatan antara terminal dan residu asam fosfat kedua, kedua dan pertama disebut makroergik (energi tinggi).

Cadangan ATP terus diisi ulang. Dalam sel semua organisme, sintesis ATP terjadi dalam proses fosforilasi, yaitu. penambahan asam fosfat ke ADP. Fosforilasi terjadi dengan intensitas yang berbeda selama respirasi (mitokondria), glikolisis (sitoplasma), fotosintesis (kloroplas).

ATP merupakan penghubung utama antara proses yang disertai pelepasan dan penimbunan energi, dan proses yang membutuhkan energi. Selain itu, ATP, bersama dengan ribonukleosida trifosfat lainnya (GTP, CTP, UTP), adalah substrat untuk sintesis RNA.

Pergi ke kuliah 3“Struktur dan fungsi protein. Enzim»

Pergi ke kuliah nomor 5"Teori Sel. Jenis organisasi seluler»

Untuk pengembangan lebih lanjut fisika nuklir (khususnya, untuk mempelajari struktur inti atom), diperlukan perangkat khusus yang dapat digunakan untuk mendaftarkan inti dan berbagai partikel, serta untuk mempelajari interaksinya.

Salah satu metode pendeteksian partikel yang Anda ketahui - metode kilau - tidak memberikan akurasi yang diperlukan, karena hasil penghitungan kilatan di layar sebagian besar bergantung pada ketajaman visual pengamat. Selain itu, pengamatan jangka panjang tidak mungkin dilakukan, karena mata cepat lelah.

Perangkat yang lebih canggih untuk mendaftarkan partikel adalah apa yang disebut pencacah Geiger, ditemukan pada tahun 1908 oleh fisikawan Jerman Hans Geiger.

Untuk mempertimbangkan perangkat dan prinsip pengoperasian perangkat ini, mari kita beralih ke Gambar 159. Penghitung Geiger terdiri dari silinder logam, yang merupakan katoda (yaitu, elektroda bermuatan negatif), dan kawat tipis yang direntangkan sepanjang sumbunya - anoda (yaitu, elektroda positif). Katoda dan anoda dihubungkan melalui resistansi R ke sumber tegangan tinggi (berurutan 200-1000 V), karena itu medan listrik yang kuat muncul di ruang antara elektroda. Kedua elektroda ditempatkan dalam tabung kaca tertutup yang diisi dengan gas yang dijernihkan (biasanya argon).

Beras. 159. Diagram perangkat penghitung Geiger

Selama gas tidak terionisasi, tidak ada arus dalam rangkaian listrik dari sumber tegangan. Namun, jika beberapa partikel yang mampu mengionisasi atom gas terbang ke dalam tabung melalui dindingnya, maka sejumlah pasangan elektron-ion terbentuk di dalam tabung. Elektron dan ion mulai bergerak menuju elektroda yang sesuai.

Jika kuat medan listrik cukup tinggi, maka elektron pada jalur bebas rata-rata (yaitu, antara tumbukan dengan molekul gas) memperoleh energi yang cukup besar dan juga mengionisasi atom gas, membentuk generasi ion dan elektron baru, yang juga dapat mengambil bagian dalam ionisasi, dan lain-lain. Apa yang disebut longsoran ion elektron terbentuk di dalam tabung, sebagai akibatnya ada peningkatan jangka pendek dan tajam dalam kekuatan arus di sirkuit dan tegangan melintasi resistansi R. Pulsa tegangan ini, yang menunjukkan bahwa sebuah partikel telah memasuki penghitung, direkam oleh perangkat khusus.

Karena resistansi R sangat tinggi (dari urutan 10 9 Ohm), maka pada saat arus mengalir, bagian utama dari tegangan sumber turun tepat di atasnya, akibatnya tegangan antara katoda dan anoda berkurang tajam dan pelepasan secara otomatis berhenti (karena tegangan ini menjadi tidak cukup untuk pembentukan generasi baru pasangan elektron-ion). Perangkat siap untuk mendaftarkan partikel berikutnya.

Pencacah Geiger digunakan terutama untuk mendaftarkan elektron, tetapi ada model yang juga cocok untuk mendaftarkan -kuanta.

Penghitung hanya memungkinkan Anda untuk mencatat fakta bahwa sebuah partikel terbang melewatinya. Peluang yang jauh lebih besar untuk mempelajari mikrokosmos diberikan oleh perangkat yang ditemukan oleh fisikawan Skotlandia Charles Wilson pada tahun 1912 dan disebut ruang awan.

Ruang awan (Gbr. 160) terdiri dari silinder kaca CC rendah dengan penutup kaca LL (silinder ditunjukkan pada bagian dalam gambar). Piston P dapat bergerak di dalam silinder.Di bagian bawah ruang adalah kain hitam FF. Karena fakta bahwa jaringan dibasahi dengan campuran air dan etil alkohol, udara di dalam ruangan jenuh dengan uap cairan ini.

Beras. 160. Skema ruang cloud perangkat

Dengan gerakan piston ke bawah yang cepat, udara dan uap cairan di dalam ruang mengembang, energi internalnya berkurang, dan suhunya menurun.

Dalam kondisi normal, hal ini akan menyebabkan kondensasi uap (kabut). Namun, ini tidak terjadi di ruang awan, karena apa yang disebut inti kondensasi (partikel debu, ion, dll.) sebelumnya dihilangkan darinya. Oleh karena itu, dalam hal ini, ketika suhu dalam ruang menurun, uap cair menjadi jenuh, yaitu, mereka masuk ke keadaan yang sangat tidak stabil di mana mereka akan dengan mudah mengembun pada setiap inti kondensasi yang terbentuk di dalam ruang, misalnya, pada ion.

Partikel yang dipelajari dimasukkan ke dalam ruang melalui jendela tipis (kadang-kadang sumber partikel ditempatkan di dalam ruang). Terbang dengan kecepatan tinggi melalui gas, partikel menciptakan ion di jalan mereka. Ion-ion ini menjadi inti kondensasi, di mana uap cair mengembun dalam bentuk tetesan kecil (uap air mengembun terutama pada ion negatif, uap etil alkohol pada yang positif). Di sepanjang jalur partikel, jejak tipis tetesan (trek) muncul, yang karenanya lintasan pergerakannya menjadi terlihat.

Jika Anda menempatkan ruang awan di medan magnet, maka lintasan partikel bermuatan melengkung. Dengan arah pelengkungan jejak, seseorang dapat menilai tanda muatan partikel, dan dengan jari-jari kelengkungan, seseorang dapat menentukan massa, energi, dan muatannya.

Jejak tidak ada di dalam ruangan lama, karena udara memanas, menerima panas dari dinding ruangan, dan tetesan menguap. Untuk memperoleh jejak-jejak baru, perlu dilakukan penghilangan ion-ion yang ada menggunakan medan listrik, kompres udara dengan piston, tunggu sampai udara di dalam chamber, dipanaskan saat kompresi, didinginkan, dan dilakukan pemuaian baru.

Biasanya, jejak partikel di ruang awan tidak hanya diamati, tetapi juga difoto. Dalam hal ini, ruang diterangi dari samping dengan seberkas sinar cahaya yang kuat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 160.

Dengan ruang awan, sejumlah penemuan penting dibuat di bidang fisika nuklir dan fisika partikel elementer.

Salah satu jenis ruang awan adalah ruang gelembung yang ditemukan pada tahun 1952. Ini beroperasi pada prinsip yang kira-kira sama dengan ruang awan, tetapi alih-alih uap jenuh, ia menggunakan cairan yang sangat panas di atas titik didih (misalnya, hidrogen cair). Ketika partikel bermuatan bergerak dalam cairan ini sepanjang lintasannya, serangkaian gelembung uap terbentuk. Ruang gelembung lebih cepat dari ruang awan.

pertanyaan

1. Menurut Gambar 159, beri tahu kami tentang perangkat dan prinsip pengoperasian penghitung Geiger.
2. Jenis partikel apa yang digunakan dalam pencacah Geiger?
3. Menurut Gambar 160, beri tahu kami tentang perangkat dan prinsip pengoperasian ruang cloud.
4. Karakteristik partikel apa yang dapat ditentukan dengan menggunakan ruang awan yang ditempatkan dalam medan magnet?
5. Apa keuntungan dari ruang gelembung di atas ruang awan? Bagaimana perangkat ini berbeda?

Partikel dasar dapat diamati karena jejak yang mereka tinggalkan ketika melewati materi. Sifat jejak memungkinkan untuk menilai tanda muatan partikel, energinya, dan momentumnya. Partikel bermuatan menyebabkan ionisasi molekul di jalurnya. Partikel netral tidak meninggalkan jejak dalam perjalanannya, tetapi mereka dapat menampakkan diri pada saat peluruhan menjadi partikel bermuatan atau pada saat tumbukan dengan beberapa nukleus. Oleh karena itu, partikel netral juga terdeteksi oleh ionisasi yang disebabkan oleh partikel yang dihasilkan atau bermuatan.

Penghitung Geiger pelepasan gas. Penghitung Geiger adalah perangkat untuk menghitung partikel secara otomatis. Penghitung terdiri dari tabung kaca yang ditutupi dari dalam dengan lapisan logam (katoda) dan benang logam tipis yang berjalan di sepanjang sumbu tabung (anoda).

Tabung biasanya diisi dengan gas inert (argon). Pengoperasian perangkat didasarkan pada ionisasi dampak. Sebuah partikel bermuatan terbang melalui gas bertabrakan dengan atom, menghasilkan penciptaan ion gas positif dan elektron. Medan listrik antara katoda dan anoda mempercepat elektron menjadi energi di mana ionisasi tumbukan dimulai. Longsoran ion dan elektron muncul, dan arus melalui penghitung meningkat tajam. Dalam hal ini, pulsa tegangan terbentuk pada resistansi beban R, yang diumpankan ke perangkat penghitung.

Pencacah Geiger terutama digunakan untuk mendaftarkan elektron dan -quanta. Registrasi partikel berat (misalnya, -partikel) sulit, karena sulit untuk membuat "jendela" yang cukup tipis transparan untuk partikel-partikel ini di penghitung.

ruang awan. Dalam ruang awan, dibangun pada tahun 1912, partikel bermuatan meninggalkan jejak yang dapat diamati secara langsung atau difoto. Operasi ruang didasarkan pada kondensasi uap jenuh pada ion untuk membentuk tetesan air. Ion-ion ini dibuat di sepanjang lintasannya oleh partikel bermuatan yang bergerak. Dengan panjang jejak (trek) yang ditinggalkan oleh partikel, seseorang dapat menentukan energi partikel, dan dengan jumlah tetesan per satuan panjang lintasan, seseorang dapat memperkirakan kecepatannya. Partikel bermuatan tinggi meninggalkan jejak yang lebih tebal.

ruang gelembung. Pada tahun 1952 Ilmuwan Amerika D. Glaser menyarankan menggunakan cairan super panas untuk mendeteksi jejak partikel. Partikel pengion yang terbang melalui ruangan menyebabkan cairan mendidih dengan cepat, akibatnya jejak partikel tersebut ternyata ditunjukkan oleh rantai gelembung uap - sebuah lintasan terbentuk.

ruang emulsi. Fisikawan Soviet L.V. Mysovsky dan A.P. Zhdanov adalah orang pertama yang menggunakan pelat fotografi untuk mendaftarkan mikropartikel. Partikel bermuatan memiliki efek yang sama pada emulsi fotografi seperti halnya foton. Oleh karena itu, setelah pengembangan pelat dalam emulsi, jejak (trek) partikel terbang yang terlihat terbentuk. Kelemahan dari metode pelat fotografi adalah ketebalan kecil dari lapisan emulsi, sebagai akibatnya hanya jejak partikel yang terletak sejajar dengan bidang lapisan yang diperoleh sepenuhnya.

Dalam ruang emulsi, paket tebal yang terdiri dari lapisan individu emulsi fotografi terkena radiasi. Metode ini disebut metode emulsi fotografi lapisan tebal.

Pada artikel ini, kami akan membantu mempersiapkan pelajaran fisika (kelas 9). penelitian partikel bukanlah topik biasa, tetapi perjalanan yang sangat menarik dan mengasyikkan ke dunia ilmu nuklir molekuler. Peradaban mampu mencapai tingkat kemajuan seperti itu baru-baru ini, dan para ilmuwan masih berdebat apakah umat manusia membutuhkan pengetahuan seperti itu? Lagi pula, jika orang dapat mengulangi proses ledakan atom yang menyebabkan munculnya Semesta, maka tidak hanya planet kita, tetapi seluruh Kosmos dapat dihancurkan.

Partikel apa yang sedang kita bicarakan dan mengapa mempelajarinya

Sebagian jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini diberikan oleh kursus fisika. Penelitian partikel eksperimental adalah cara untuk melihat apa yang tidak dapat diakses oleh manusia bahkan dengan mikroskop yang paling kuat sekalipun. Tapi hal pertama yang pertama.

Partikel elementer adalah istilah kolektif, yang mengacu pada partikel yang tidak dapat lagi dipecah menjadi bagian yang lebih kecil. Secara total, lebih dari 350 partikel elementer telah ditemukan oleh fisikawan. Kita paling sering mendengar tentang proton, neuron, elektron, foton, quark. Inilah yang disebut partikel fundamental.

Karakteristik partikel elementer

Semua partikel terkecil memiliki sifat yang sama: mereka dapat saling bertransformasi di bawah pengaruh pengaruh mereka sendiri. Beberapa memiliki sifat elektromagnetik yang kuat, yang lain memiliki sifat gravitasi yang lemah. Tetapi semua partikel elementer dicirikan oleh parameter berikut:

• Bobot.
• Spin adalah momen intrinsik dari momentum.
• Muatan listrik.
• Seumur hidup.
• Keseimbangan.
• momen magnet.
• muatan baryon.
• muatan lepton.

Sebuah perjalanan singkat ke dalam teori struktur materi

Setiap zat terdiri dari atom, yang pada gilirannya memiliki inti dan elektron. Elektron, seperti planet-planet di tata surya, bergerak mengelilingi inti, masing-masing pada porosnya sendiri. Jarak antara mereka sangat besar, dalam skala atom. Nukleus terdiri dari proton dan neuron, hubungan di antara mereka begitu kuat sehingga tidak mungkin untuk memisahkan mereka dengan cara apa pun yang diketahui sains. Ini adalah inti dari metode eksperimental untuk mempelajari partikel (secara singkat).

Sulit bagi kita untuk membayangkan ini, tetapi komunikasi nuklir melampaui semua kekuatan yang dikenal di bumi jutaan kali. Kita tahu ledakan kimia, nuklir. Tapi apa yang menyatukan proton dan neuron adalah sesuatu yang lain. Mungkin inilah kunci untuk mengungkap misteri asal usul alam semesta. Itulah mengapa sangat penting untuk mempelajari metode eksperimental untuk mempelajari partikel.

Sejumlah eksperimen mengarahkan para ilmuwan pada gagasan bahwa neuron terdiri dari unit yang lebih kecil dan menyebutnya quark. Apa yang ada di dalamnya belum diketahui. Tetapi quark adalah unit yang tidak dapat dipisahkan. Artinya, tidak ada cara untuk memilih satu. Jika para ilmuwan menggunakan eksperimen partikel untuk mengekstrak satu quark, tidak peduli berapa banyak upaya yang mereka lakukan, setidaknya dua quark selalu dilepaskan. Ini sekali lagi menegaskan kekuatan potensial nuklir yang tidak dapat dihancurkan.

Apa metode mempelajari partikel?

Mari kita lanjutkan langsung ke metode eksperimental untuk mempelajari partikel (Tabel 1).

Nama metode		Prinsip operasi
	Cahaya (pendaran)	Obat radioaktif memancarkan gelombang, yang menyebabkan partikel bertabrakan dan pancaran individu dapat diamati.
	Ionisasi molekul gas oleh partikel bermuatan cepat	Ini menurunkan piston dengan kecepatan tinggi, yang menyebabkan pendinginan uap yang kuat, yang menjadi jenuh. Tetesan kondensat menunjukkan lintasan rantai ion.
ruang gelembung	Ionisasi cair	Volume ruang kerja diisi dengan hidrogen cair panas atau propana, yang bekerja di bawah tekanan. Bawa keadaan menjadi terlalu panas dan kurangi tekanan dengan tajam. Partikel bermuatan, bekerja dengan lebih banyak energi, menyebabkan hidrogen atau propana mendidih. Pada lintasan di mana partikel bergerak, tetesan uap terbentuk.
Metode kilau (Spinthariscope)	Cahaya (pendaran)	Ketika molekul gas terionisasi, sejumlah besar pasangan elektron-ion dihasilkan. Semakin besar tegangan, semakin banyak pasangan bebas yang muncul hingga mencapai puncaknya dan tidak ada satu pun ion bebas yang tersisa. Pada saat ini, penghitung mencatat partikel. Ini adalah salah satu metode eksperimental pertama untuk mempelajari partikel bermuatan, dan ditemukan lima tahun lebih lambat dari penghitung Geiger - pada tahun 1912. Strukturnya sederhana: silinder kaca, di dalam - piston. Di bawah ini adalah kain hitam yang direndam dalam air dan alkohol, sehingga udara di dalam ruangan jenuh dengan uapnya. Piston mulai turun dan naik, menciptakan tekanan, menyebabkan gas menjadi dingin. Kondensasi harus terbentuk, tetapi tidak ada, karena tidak ada pusat kondensasi (ion atau butiran debu) di dalam ruangan. Setelah itu, labu diangkat untuk mendapatkan partikel – ion atau debu. Partikel mulai bergerak dan membentuk kondensat di sepanjang lintasannya, yang dapat dilihat. Lintasan yang ditempuh partikel disebut lintasan. Kerugian dari metode ini adalah jangkauan partikel terlalu kecil. Hal ini menyebabkan teori yang lebih progresif berdasarkan perangkat dengan media yang lebih padat. ruang gelembung Metode eksperimental berikut untuk mempelajari partikel memiliki prinsip pengoperasian ruang awan yang serupa - Hanya saja, alih-alih gas jenuh, ada cairan dalam labu kaca. Dasar teorinya adalah bahwa di bawah tekanan tinggi, cairan tidak dapat mulai mendidih di atas titik didih. Tetapi begitu partikel bermuatan muncul, cairan mulai mendidih di sepanjang jalur pergerakannya, berubah menjadi uap. Tetesan dari proses ini ditangkap oleh kamera. Metode emulsi fotografi lapisan tebal Mari kembali ke tabel fisika "Metode Eksperimen untuk Menyelidiki Partikel". Di dalamnya, bersama dengan ruang awan dan metode gelembung, metode untuk mendeteksi partikel menggunakan emulsi fotografi lapisan tebal dipertimbangkan. Eksperimen ini pertama kali dilakukan oleh fisikawan Soviet L.V. Mysovsky dan A.P. Zhdanov pada tahun 1928. Idenya sangat sederhana. Untuk percobaan, piring yang dilapisi dengan lapisan tebal emulsi fotografi digunakan. Emulsi fotografi ini terdiri dari kristal perak bromida. Ketika partikel bermuatan menembus kristal, ia memisahkan elektron dari atom, yang membentuk rantai tersembunyi. Hal itu bisa dilihat dari pengembangan filmnya. Gambar yang dihasilkan memungkinkan Anda menghitung energi dan massa partikel. Faktanya, lintasannya sangat pendek dan kecil secara mikroskopis. Tetapi metodenya bagus karena gambar yang dikembangkan dapat diperbesar berkali-kali, sehingga mempelajarinya lebih baik. Metode Kilau Ini pertama kali diadakan oleh Rutherford pada tahun 1911, meskipun gagasan itu muncul sedikit lebih awal dari ilmuwan lain, W. Krupe. Terlepas dari kenyataan bahwa perbedaannya adalah 8 tahun, perangkat harus ditingkatkan selama ini. Prinsip dasarnya adalah bahwa layar yang dilapisi dengan zat luminescent akan menampilkan kilatan cahaya saat partikel bermuatan melewatinya. Atom suatu zat tereksitasi ketika terkena partikel dengan energi yang kuat. Pada saat tumbukan, kilatan terjadi, yang diamati di bawah mikroskop. Metode ini sangat tidak populer di kalangan fisikawan. Ini memiliki beberapa kelemahan. Pertama, keakuratan hasil yang diperoleh sangat bergantung pada ketajaman visual orang tersebut. Jika Anda berkedip, Anda bisa melewatkan momen yang sangat penting. Yang kedua adalah bahwa dengan pengamatan yang lama, mata menjadi sangat cepat lelah, dan oleh karena itu, studi tentang atom menjadi tidak mungkin. kesimpulan Ada beberapa metode eksperimental untuk mempelajari partikel bermuatan. Karena atom-atom materi sangat kecil sehingga sulit dilihat bahkan dengan mikroskop yang paling kuat, para ilmuwan harus bereksperimen untuk memahami apa yang ada di tengah-tengahnya. Pada tahap perkembangan peradaban ini, jalan panjang telah dibuat dan elemen-elemen yang paling tidak dapat diakses telah dipelajari. Mungkin di dalamnya ada rahasia alam semesta.

Penulis: Fomicheva S.E., guru fisika MBOU "Sekolah Menengah No. 27" kota Kirov Metode untuk pendaftaran dan pengamatan partikel dasar Geiger counter Wilson chamber Ruang gelembung Metode emulsi foto Metode kilau Ruang percikan (1908) Dirancang untuk penghitungan otomatis partikel. Memungkinkan Anda untuk mendaftarkan hingga 10.000 atau lebih partikel per detik. Mendaftarkan hampir setiap elektron (100%) dan 1 dari 100 gamma-quanta (1%) Registrasi partikel berat sulit Hans Wilhelm Geiger 1882-1945 Perangkat: 2. Katoda - lapisan logam tipis 3. Anoda - benang logam tipis 1. Tabung kaca, diisi dengan argon 4. Alat perekam Untuk mendeteksi -kuantum, dinding bagian dalam tabung ditutupi dengan bahan dari mana -kuantum mengekstrak elektron. Prinsip tindakan: Tindakan ini didasarkan pada ionisasi dampak. Sebuah partikel bermuatan terbang melalui gas menghilangkan elektron dari atom. Ada longsoran elektron dan ion. Arus melalui penghitung meningkat tajam. Pulsa tegangan terbentuk di resistor R, yang direkam oleh perangkat penghitung. Tegangan antara anoda dan katoda menurun tajam. Debit berhenti, penghitung siap dioperasikan kembali (1912).Dirancang untuk mengamati dan memperoleh informasi tentang partikel. Ketika sebuah partikel lewat, ia meninggalkan jejak - jejak yang dapat diamati secara langsung atau difoto. Hanya partikel bermuatan yang tetap, yang netral tidak menyebabkan ionisasi atom, kehadirannya dinilai oleh efek sekunder. Charles Thomson Reese Wilson 1869-1959 Alat: 7. Ruang berisi uap air dan alkohol 1. Sumber partikel 2. Kaca kuarsa 3. Elektroda untuk menciptakan medan listrik 6. Trek 5. Piston 4. Kipas Prinsip pengoperasian: Pengoperasian didasarkan pada penggunaan lingkungan negara yang tidak stabil. Uap di dalam chamber mendekati saturasi. Ketika piston diturunkan, terjadi ekspansi adiabatik dan uap menjadi jenuh. Tetesan air membentuk jejak. Partikel terbang mengionisasi atom, di mana uap, yang dalam keadaan tidak stabil, mengembun. Piston naik, tetesan menguap, medan listrik menghilangkan ion dan ruang siap untuk menerima partikel berikutnya. dengan jumlah tetes per satuan panjang - tentang kecepatan (semakin banyak N, v); Menurut ketebalan lintasan - tentang besarnya muatan (semakin banyak d, semakin banyak q) Menurut kelengkungan lintasan dalam medan magnet, tentang rasio muatan partikel terhadap massanya (semakin banyak R, semakin banyak m dan v, semakin banyak q); Dalam arah tikungan tentang tanda muatan partikel. (1952) Dirancang untuk mengamati dan memperoleh informasi tentang partikel. Trek dipelajari, tetapi, tidak seperti ruang awan, ini memungkinkan mempelajari partikel dengan energi tinggi. Ini memiliki siklus tugas yang lebih pendek - sekitar 0,1 detik. Memungkinkan Anda untuk mengamati peluruhan partikel dan reaksi yang ditimbulkannya. Donald Arthur Glaser 1926-2013 Pengaturan: Mirip dengan ruang awan, tetapi hidrogen cair atau propana digunakan sebagai pengganti uap.Cairan berada di bawah tekanan tinggi pada suhu di atas titik didih. Piston turun, tekanan turun dan cairan dalam keadaan tidak stabil, terlalu panas. Gelembung uap membentuk jejak. Partikel terbang mengionisasi atom, yang menjadi pusat penguapan. Piston naik, uap mengembun, medan listrik menghilangkan ion dan ruang siap untuk menerima partikel berikutnya (1895) Pelat ditutupi dengan emulsi yang mengandung sejumlah besar kristal perak bromida. Terbang, partikel merobek elektron dari atom bromin, rantai kristal tersebut membentuk gambar laten. Ketika dikembangkan dalam kristal ini, perak metalik dipulihkan. Rantai butiran perak membentuk lintasan. Antoine Henri Becquerel Metode ini memungkinkan untuk mencatat fenomena langka antara partikel dan inti. 1. Aluminium foil 4. Dynode 5. Anode 3. Photocathode 2. Scintillator Metode sintilasi terdiri dari menghitung kilatan cahaya kecil ketika partikel-α mengenai layar yang dilapisi dengan seng sulfida. Ini adalah kombinasi dari sintilator dan photomultiplier. Semua partikel dan 100% kuanta gamma terdaftar. Memungkinkan Anda menentukan energi partikel. Merupakan sistem elektroda logam paralel, ruang di antaranya diisi dengan gas inert. Jarak antara pelat adalah dari 1 hingga 10 cm, percikan pelepasan dilokalisasi secara ketat. Mereka muncul di mana ada biaya gratis. Ruang percikan dapat memiliki dimensi dalam urutan beberapa meter. Ketika sebuah partikel lewat di antara pelat, percikan api menerobos, menciptakan jalur yang berapi-api. Keuntungannya adalah proses pendaftaran dapat dikelola.