PARA ácidos nucleicos incluem compostos de alto polímero que se decompõem durante a hidrólise em bases purinas e pirimidinas, pentose e ácido fosfórico. Os ácidos nucleicos contêm carbono, hidrogênio, fósforo, oxigênio e nitrogênio. Existem duas classes de ácidos nucléicos: ácidos ribonucleicos (RNA) E ácidos desoxirribonucléicos (DNA).

Estrutura e funções do DNA

ADN- um polímero cujos monômeros são desoxirribonucleotídeos. Um modelo da estrutura espacial da molécula de DNA na forma de uma dupla hélice foi proposto em 1953 por J. Watson e F. Crick (para construir este modelo eles usaram o trabalho de M. Wilkins, R. Franklin, E. Chargaff ).

molécula de DNA formado por duas cadeias polinucleotídicas, helicoidalmente torcidas uma em torno da outra e juntas em torno de um eixo imaginário, ou seja, é uma dupla hélice (com a exceção de que alguns vírus contendo DNA possuem DNA de fita simples). O diâmetro da dupla hélice do DNA é de 2 nm, a distância entre os nucleotídeos adjacentes é de 0,34 nm e existem 10 pares de nucleotídeos por volta da hélice. O comprimento da molécula pode atingir vários centímetros. Peso molecular - dezenas e centenas de milhões. O comprimento total do DNA no núcleo de uma célula humana é de cerca de 2 M. Nas células eucarióticas, o DNA forma complexos com proteínas e possui uma conformação espacial específica.

Monômero de DNA - nucleotídeo (desoxirribonucleotídeo)- consiste em resíduos de três substâncias: 1) uma base nitrogenada, 2) um monossacarídeo de cinco carbonos (pentose) e 3) ácido fosfórico. As bases nitrogenadas dos ácidos nucléicos pertencem às classes das pirimidinas e purinas. Bases de pirimidina de DNA(têm um anel em sua molécula) - timina, citosina. Bases de purina(tem dois anéis) - adenina e guanina.

O monossacarídeo de nucleotídeo do DNA é a desoxirribose.

O nome de um nucleotídeo é derivado do nome da base correspondente. Nucleotídeos e bases nitrogenadas são indicados por letras maiúsculas.

A cadeia polinucleotídica é formada como resultado de reações de condensação de nucleotídeos. Neste caso, entre o carbono 3" do resíduo de desoxirribose de um nucleotídeo e o resíduo de ácido fosfórico de outro, ligação fosfoéster(pertence à categoria de ligações covalentes fortes). Uma extremidade da cadeia polinucleotídica termina com um carbono de 5" (chamada extremidade de 5"), a outra termina com um carbono de 3" (extremidade de 3").

Oposto a uma fita de nucleotídeos está uma segunda fita. O arranjo dos nucleotídeos nessas duas cadeias não é aleatório, mas estritamente definido: a timina está sempre localizada oposta à adenina de uma cadeia na outra cadeia, e a citosina está sempre localizada oposta à guanina, duas ligações de hidrogênio surgem entre a adenina e a timina, e três ligações de hidrogênio surgem entre guanina e citosina. O padrão segundo o qual os nucleotídeos de diferentes cadeias de DNA são estritamente ordenados (adenina - timina, guanina - citosina) e se conectam seletivamente entre si é chamado o princípio da complementaridade. Deve-se notar que J. Watson e F. Crick compreenderam o princípio da complementaridade após se familiarizarem com as obras de E. Chargaff. E. Chargaff, tendo estudado um grande número de amostras de tecidos e órgãos de vários organismos, descobriu que em qualquer fragmento de DNA o conteúdo de resíduos de guanina sempre corresponde exatamente ao conteúdo de citosina e adenina à timina ( "Regra de Chargaff"), mas ele não conseguiu explicar esse fato.

Segue-se do princípio da complementaridade que a sequência de nucleotídeos de uma cadeia determina a sequência de nucleotídeos da outra.

As fitas de DNA são antiparalelas (multidirecionais), ou seja, nucleotídeos de cadeias diferentes estão localizados em direções opostas e, portanto, oposta à extremidade 3" de uma cadeia está a extremidade 5" da outra. A molécula de DNA às vezes é comparada a uma escada em espiral. O “corrimão” desta escada é uma espinha dorsal de açúcar-fosfato (alternando resíduos de desoxirribose e ácido fosfórico); “etapas” são bases nitrogenadas complementares.

Função do DNA- armazenamento e transmissão de informações hereditárias.

Replicação de DNA (reduplicação)

- o processo de autoduplicação, principal propriedade da molécula de DNA. A replicação pertence à categoria de reações de síntese de matriz e ocorre com a participação de enzimas. Sob a ação de enzimas, a molécula de DNA se desenrola e uma nova cadeia é construída em torno de cada cadeia, servindo de modelo, segundo os princípios da complementaridade e do antiparalelismo. Assim, em cada DNA filho, uma fita é a fita mãe e a segunda é recém-sintetizada. Este método de síntese é denominado semi-conservador.

O “material de construção” e fonte de energia para replicação são trifosfatos de desoxirribonucleósido(ATP, TTP, GTP, CTP) contendo três resíduos de ácido fosfórico. Quando os desoxirribonucleósidos trifosfatos são incorporados numa cadeia polinucleotídica, dois resíduos terminais de ácido fosfórico são clivados e a energia libertada é utilizada para formar uma ligação fosfodiéster entre os nucleótidos.

As seguintes enzimas estão envolvidas na replicação:

1. helicases (DNA “desenrolar”);
2. proteínas desestabilizadoras;
3. topoisomerases de DNA (DNA cortado);
4. DNA polimerases (selecione trifosfatos de desoxirribonucleosídeo e ligue-os complementarmente à fita modelo de DNA);
5. Primases de RNA (formam iniciadores de RNA);
6. DNA ligases (ligam fragmentos de DNA).

Com a ajuda de helicases, o DNA é desemaranhado em certas seções, seções de fita simples de DNA são ligadas por proteínas desestabilizadoras e uma garfo de replicação. Com uma divergência de 10 pares de nucleotídeos (uma volta da hélice), a molécula de DNA deve dar uma volta completa em torno de seu eixo. Para evitar essa rotação, a DNA topoisomerase corta uma fita de DNA, permitindo que ela gire em torno da segunda fita.

A DNA polimerase pode anexar um nucleotídeo apenas ao carbono 3" da desoxirribose do nucleotídeo anterior, portanto, esta enzima é capaz de se mover ao longo do DNA modelo em apenas uma direção: da extremidade 3" para a extremidade 5" deste DNA modelo . Como no DNA mãe as cadeias são antiparalelas , então em suas diferentes cadeias a montagem das cadeias polinucleotídicas filhas ocorre de maneira diferente e em direções opostas. Na cadeia 3"-5", a síntese da cadeia polinucleotídica filha prossegue sem interrupção; esta filha cadeia será chamada principal. Em uma corrente de 5"-3" - intermitentemente, em fragmentos ( fragmentos de Okazaki), que, após a conclusão da replicação, são unidos em uma fita por DNA ligases; esta cadeia filha será chamada atrasado (ficando para trás).

Uma característica especial da DNA polimerase é que ela só pode começar seu trabalho com "sementes" (cartilha). O papel dos “primers” é desempenhado por sequências curtas de RNA formadas pela enzima RNA primase e emparelhadas com o DNA modelo. Os iniciadores de RNA são removidos após a conclusão da montagem das cadeias polinucleotídicas.

A replicação ocorre de forma semelhante em procariontes e eucariontes. A taxa de síntese de DNA em procariontes é uma ordem de grandeza maior (1000 nucleotídeos por segundo) do que em eucariotos (100 nucleotídeos por segundo). A replicação começa simultaneamente em várias partes da molécula de DNA. Um fragmento de DNA de uma origem de replicação para outra forma uma unidade de replicação - replicão.

A replicação ocorre antes da divisão celular. Graças a esta capacidade do DNA, a informação hereditária é transferida da célula-mãe para as células-filhas.

Reparação (“reparação”)

Reparaçõesé o processo de eliminação de danos à sequência de nucleotídeos do DNA. Realizado por sistemas enzimáticos especiais da célula ( reparar enzimas). No processo de restauração da estrutura do DNA, podem ser distinguidas as seguintes etapas: 1) As nucleases de reparo do DNA reconhecem e removem a área danificada, resultando na formação de uma lacuna na cadeia do DNA; 2) A DNA polimerase preenche essa lacuna, copiando informações da segunda fita (“boa”); 3) A DNA ligase “reticula” os nucleotídeos, completando o reparo.

Três mecanismos de reparo foram mais estudados: 1) fotorreparo, 2) reparo excisional ou pré-replicativo, 3) reparo pós-replicativo.

Mudanças na estrutura do DNA ocorrem na célula constantemente sob a influência de metabólitos reativos, radiação ultravioleta, metais pesados ​​e seus sais, etc. Portanto, defeitos nos sistemas de reparo aumentam a taxa de processos de mutação e causam doenças hereditárias (xeroderma pigmentoso, progéria, etc.).

Estrutura e funções do RNA

- um polímero cujos monômeros são ribonucleotídeos. Ao contrário do DNA, o RNA é formado não por duas, mas por uma cadeia polinucleotídica (com a exceção de que alguns vírus contendo RNA possuem RNA de fita dupla). Os nucleotídeos de RNA são capazes de formar ligações de hidrogênio entre si. As cadeias de RNA são muito mais curtas que as cadeias de DNA.

Monômero de RNA - nucleotídeo (ribonucleotídeo)- consiste em resíduos de três substâncias: 1) uma base nitrogenada, 2) um monossacarídeo de cinco carbonos (pentose) e 3) ácido fosfórico. As bases nitrogenadas do RNA também pertencem às classes das pirimidinas e purinas.

As bases pirimidinas do RNA são uracila e citosina, e as bases purinas são adenina e guanina. O monossacarídeo de nucleotídeo de RNA é a ribose.

Destaque três tipos de RNA: 1) informativo(mensageiro) RNA - mRNA (mRNA), 2) transporte RNA - tRNA, 3) ribossômico RNA - rRNA.

Todos os tipos de RNA são polinucleotídeos não ramificados, possuem uma conformação espacial específica e participam dos processos de síntese protéica. As informações sobre a estrutura de todos os tipos de RNA são armazenadas no DNA. O processo de síntese de RNA em um modelo de DNA é chamado de transcrição.

RNAs de transferência geralmente contém 76 (de 75 a 95) nucleotídeos; peso molecular - 25.000-30.000.O tRNA representa cerca de 10% do conteúdo total de RNA na célula. Funções do tRNA: 1) transporte de aminoácidos para o local de síntese protéica, para os ribossomos, 2) intermediário de tradução. Existem cerca de 40 tipos de tRNA encontrados em uma célula, cada um deles possui uma sequência de nucleotídeos única. No entanto, todos os tRNAs possuem várias regiões complementares intramoleculares, devido às quais os tRNAs adquirem uma conformação semelhante a uma folha de trevo. Qualquer tRNA possui uma alça para contato com o ribossomo (1), uma alça anticódon (2), uma alça para contato com a enzima (3), uma haste aceitadora (4) e um anticódon (5). O aminoácido é adicionado à extremidade 3" da haste aceitadora. Anticódon- três nucleotídeos que “identificam” o códon do mRNA. Deve-se enfatizar que um tRNA específico pode transportar um aminoácido estritamente definido correspondente ao seu anticódon. A especificidade da ligação entre aminoácidos e tRNA é alcançada devido às propriedades da enzima aminoacil-tRNA sintetase.

RNA ribossômico contêm 3.000-5.000 nucleotídeos; peso molecular - 1.000.000-1.500.000. O rRNA é responsável por 80-85% do conteúdo total de RNA na célula. Em complexo com proteínas ribossômicas, o rRNA forma ribossomos - organelas que realizam a síntese protéica. Nas células eucarióticas, a síntese de rRNA ocorre nos nucléolos. Funções do rRNA: 1) um componente estrutural necessário dos ribossomos e, assim, garantindo o funcionamento dos ribossomos; 2) garantir a interação do ribossomo e do tRNA; 3) ligação inicial do ribossomo e do códon iniciador do mRNA e determinação do quadro de leitura, 4) formação do centro ativo do ribossomo.

RNA mensageiro variou em conteúdo de nucleotídeos e peso molecular (de 50.000 a 4.000.000). O mRNA é responsável por até 5% do conteúdo total de RNA na célula. Funções do mRNA: 1) transferência de informação genética do DNA para os ribossomos, 2) matriz para a síntese de uma molécula de proteína, 3) determinação da sequência de aminoácidos da estrutura primária de uma molécula de proteína.

Estrutura e funções do ATP

Ácido adenosina trifosfórico (ATP)- uma fonte universal e principal acumulador de energia nas células vivas. O ATP é encontrado em todas as células vegetais e animais. A quantidade de ATP é em média 0,04% (do peso úmido da célula), a maior quantidade de ATP (0,2-0,5%) é encontrada nos músculos esqueléticos.

O ATP consiste em resíduos: 1) uma base nitrogenada (adenina), 2) um monossacarídeo (ribose), 3) três ácidos fosfóricos. Como o ATP contém não um, mas três resíduos de ácido fosfórico, ele pertence aos ribonucleosídeos trifosfatos.

A maior parte do trabalho que acontece nas células utiliza a energia da hidrólise do ATP. Nesse caso, quando o resíduo terminal do ácido fosfórico é eliminado, o ATP se transforma em ADP (ácido adenosina difosfórico), e quando o segundo resíduo de ácido fosfórico é eliminado, ele se transforma em AMP (ácido adenosina monofosfórico). O rendimento de energia livre após a eliminação do resíduo terminal e do segundo resíduo do ácido fosfórico é de 30,6 kJ. A eliminação do terceiro grupo fosfato é acompanhada pela liberação de apenas 13,8 kJ. As ligações entre o terminal e o segundo, segundo e primeiro resíduos do ácido fosfórico são chamadas de alta energia (alta energia).

As reservas de ATP são constantemente reabastecidas. Nas células de todos os organismos, a síntese de ATP ocorre no processo de fosforilação, ou seja, adição de ácido fosfórico ao ADP. A fosforilação ocorre com intensidade variável durante a respiração (mitocôndrias), glicólise (citoplasma) e fotossíntese (cloroplastos).

O ATP é o principal elo entre processos acompanhados de liberação e acúmulo de energia e processos que ocorrem com gasto energético. Além disso, o ATP, juntamente com outros ribonucleosídeos trifosfatos (GTP, CTP, UTP), é um substrato para a síntese de RNA.

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Para o maior desenvolvimento da física nuclear (em particular, para estudar a estrutura dos núcleos atômicos), foram necessários dispositivos especiais com a ajuda dos quais seria possível registrar núcleos e diversas partículas, bem como estudar suas interações.

Um dos métodos de registro de partículas que você conhece - o método de cintilação - não fornece a precisão necessária, pois o resultado da contagem dos flashes na tela depende em grande parte da acuidade visual do observador. Além disso, a observação a longo prazo é impossível, uma vez que o olho se cansa rapidamente.

Um dispositivo mais avançado para detecção de partículas é o chamado contador Geiger, inventado em 1908 pelo físico alemão Hans Geiger.

Para considerar o projeto e o princípio de operação deste dispositivo, voltemos à Figura 159. Um contador Geiger consiste em um cilindro de metal, que é o cátodo (ou seja, um eletrodo carregado negativamente), e um fio fino esticado ao longo de seu eixo, o ânodo (ou seja, um eletrodo positivo). O cátodo e o ânodo são conectados através de uma resistência R a uma fonte de alta tensão (cerca de 200-1000 V), devido à qual surge um forte campo elétrico no espaço entre os eletrodos. Ambos os eletrodos são colocados em um tubo de vidro selado cheio de gás rarefeito (geralmente argônio).

Arroz. 159. Diagrama de projeto do contador Geiger

Embora o gás não esteja ionizado, não há corrente no circuito elétrico da fonte de tensão. Se qualquer partícula capaz de ionizar átomos de gás entrar no tubo através de suas paredes, um certo número de pares elétron-íon será formado no tubo. Elétrons e íons começam a se mover em direção aos eletrodos correspondentes.

Se a intensidade do campo elétrico for suficientemente alta, então os elétrons no caminho livre médio (ou seja, entre colisões com moléculas de gás) adquirem energia suficientemente alta e também ionizam átomos de gás, formando uma nova geração de íons e elétrons, que também podem participar na ionização, e etc. Uma chamada avalanche de íons de elétrons é formada no tubo, resultando em um aumento acentuado e de curto prazo na corrente no circuito e na tensão através da resistência R. Este pulso de tensão, indicando que um partícula entrou no contador, é registrada por um dispositivo especial.

Como a resistência R é muito alta (cerca de 10 9 Ohms), no momento em que a corrente flui, a maior parte da tensão da fonte cai precisamente sobre ela, como resultado a tensão entre o cátodo e o ânodo diminui drasticamente e a descarga para automaticamente (já que esta tensão se torna insuficiente para a formação de novas gerações de pares elétron-íon). O dispositivo está pronto para registrar a próxima partícula.

O contador Geiger é usado principalmente para registrar elétrons, mas existem modelos adequados para registrar quanta γ.

O contador permite apenas registrar o fato de uma partícula voar através dele. Oportunidades muito maiores para estudar o micromundo são fornecidas por um dispositivo inventado pelo físico escocês Charles Wilson em 1912 e chamado de câmara de Wilson.

A câmara de Wilson (Fig. 160) consiste em um cilindro baixo de vidro CC com uma tampa de vidro LL (o cilindro é mostrado em corte na figura). O pistão P pode se mover dentro do cilindro. Na parte inferior da câmara há tecido preto FF. Devido ao fato do tecido ser umedecido com uma mistura de água e álcool etílico, o ar da câmara fica saturado com vapores desses líquidos.

Arroz. 160. Diagrama de projeto da câmara de Wilson

Quando o pistão se move rapidamente para baixo, o ar e os vapores líquidos na câmara se expandem, sua energia interna diminui e a temperatura diminui.

Em condições normais isto causaria condensação de vapor (névoa). No entanto, isso não acontece em uma câmara de nuvens, uma vez que os chamados núcleos de condensação (grãos de poeira, íons, etc.) são primeiro removidos dela. Portanto, neste caso, quando a temperatura na câmara diminui, os vapores líquidos ficam supersaturados, ou seja, entram em um estado extremamente instável, no qual se condensarão facilmente em quaisquer núcleos de condensação formados na câmara, por exemplo, em íons .

As partículas a serem estudadas entram na câmara através de uma janela fina (às vezes a fonte da partícula é colocada dentro da câmara). Voando em alta velocidade através do gás, as partículas criam íons em seu caminho. Esses íons tornam-se núcleos de condensação, nos quais os vapores líquidos se condensam na forma de pequenas gotículas (o vapor de água condensa principalmente em íons negativos, o vapor de álcool etílico em íons positivos). Ao longo de todo o trajeto da partícula, surge um fino rastro de gotículas (trilha), por meio do qual sua trajetória se torna visível.

Se você colocar uma câmara de nuvens em um campo magnético, as trajetórias das partículas carregadas serão curvadas. Pela direção da curvatura do traço pode-se julgar o sinal da carga da partícula, e pelo raio de curvatura pode-se determinar sua massa, energia e carga.

Os rastros não existem por muito tempo na câmara, pois o ar esquenta, recebendo calor das paredes da câmara, e as gotículas evaporam. Para obter novos traços, é necessário retirar os íons existentes por meio de um campo elétrico, comprimir o ar com um pistão, esperar até que o ar da câmara, aquecido durante a compressão, esfrie e realizar uma nova expansão.

Normalmente, os rastros de partículas em uma câmara de nuvens não são apenas observados, mas também fotografados. Neste caso, a câmera é iluminada lateralmente com um poderoso feixe de raios de luz, conforme mostrado na Figura 160.

A câmara de nuvens tem sido usada para fazer uma série de descobertas importantes nos campos da física nuclear e de partículas.

Uma das variações da câmara de Wilson é a câmara de bolhas, inventada em 1952. Funciona aproximadamente com o mesmo princípio de uma câmara de nuvens, mas em vez de vapor supersaturado, utiliza um líquido superaquecido acima do seu ponto de ebulição (por exemplo, hidrogênio líquido). Quando uma partícula carregada se move neste líquido ao longo de sua trajetória, uma série de bolhas de vapor é formada. A câmara de bolhas é mais rápida que a câmara de Wilson.

Questões

1. Usando a Figura 159, conte-nos sobre a estrutura e o princípio de funcionamento de um contador Geiger.
2. Quais partículas um contador Geiger é usado para detectar?
3. Com base na Figura 160, conte-nos sobre a estrutura e o princípio de funcionamento de uma câmara de nuvens.
4. Que características das partículas podem ser determinadas usando uma câmara de nuvens colocada num campo magnético?
5. Qual é a vantagem de uma câmara de bolhas sobre uma câmara de nuvens? Como esses dispositivos são diferentes?

As partículas elementares podem ser observadas graças aos rastros que deixam ao passar pela matéria. A natureza dos traços permite-nos avaliar o sinal da carga da partícula, a sua energia e o momento. Partículas carregadas causam ionização de moléculas em seu caminho. As partículas neutras não deixam rastros em seu caminho, mas podem se revelar no momento do decaimento em partículas carregadas ou no momento da colisão com qualquer núcleo. Portanto, partículas neutras também são detectadas por ionização causada por partículas geradas ou carregadas.

Contador Geiger de descarga de gás. Um contador Geiger é um dispositivo para contagem automática de partículas. O contador consiste em um tubo de vidro revestido internamente por uma camada metálica (cátodo) e um fino fio metálico que corre ao longo do eixo do tubo (ânodo).

O tubo geralmente é preenchido com um gás inerte (argônio). A operação do dispositivo é baseada na ionização por impacto. Uma partícula carregada voando através de um gás colide com átomos, resultando na formação de íons e elétrons de gás positivos. O campo elétrico entre o cátodo e o ânodo acelera os elétrons até as energias nas quais a ionização por impacto começa. Ocorre uma avalanche de íons e elétrons e a corrente através do contador aumenta acentuadamente. Neste caso, um pulso de tensão é formado na resistência de carga R, que é fornecido ao contador.

O contador Geiger é usado principalmente para registrar elétrons e fótons. O registro de partículas pesadas (por exemplo, partículas) é difícil, pois é difícil fazer uma “janela” suficientemente fina no balcão que seja transparente para essas partículas.

Câmara Wilson. Numa câmara de nuvens, criada em 1912, uma partícula carregada deixa um rastro que pode ser observado diretamente ou fotografado. A ação da câmara é baseada na condensação de vapor supersaturado em íons para formar gotículas de água. Esses íons são criados ao longo de sua trajetória por uma partícula carregada em movimento. Pelo comprimento do traço (trilha) deixado por uma partícula, pode-se determinar a energia da partícula, e pelo número de gotas por unidade de comprimento da trilha, pode-se estimar sua velocidade. Partículas com carga mais alta deixam um rastro mais espesso.

Câmara de bolhas. Em 1952 O cientista americano D. Glaser propôs o uso de líquido superaquecido para detectar rastros de partículas. Uma partícula ionizante voando através da câmara causa uma fervura violenta do líquido, como resultado do traço da partícula é indicado por uma cadeia de bolhas de vapor - um rastro é formado.

Câmara de emulsão. Os físicos soviéticos L.V. Mysovsky e A.P. Jdanov foi o primeiro a usar chapas fotográficas para registrar micropartículas. Partículas carregadas têm o mesmo efeito na emulsão fotográfica que os fótons. Portanto, após o desenvolvimento da placa na emulsão, um traço visível (rastro) da partícula voadora é formado. A desvantagem do método da placa fotográfica era a pequena espessura da camada de emulsão, resultando apenas na obtenção de rastros de partículas paralelas ao plano da camada.

Nas câmaras de emulsão, embalagens espessas compostas por camadas individuais de emulsão fotográfica são expostas à irradiação. Este método foi denominado método de fotoemulsão de camada espessa.

Neste artigo iremos ajudá-lo a se preparar para uma aula de física (9º ano). A pesquisa de partículas não é um tópico comum, mas uma excursão muito interessante e emocionante no mundo da ciência nuclear molecular. A civilização conseguiu atingir tal nível de progresso recentemente, e os cientistas ainda discutem se a humanidade precisa de tal conhecimento. Afinal, se as pessoas conseguirem repetir o processo de explosão atômica que levou ao surgimento do Universo, então talvez não apenas o nosso planeta, mas todo o Cosmos entrará em colapso.

De que partículas estamos falando e por que estudá-las?

Respostas parciais a essas perguntas são fornecidas por um curso de física. Os métodos experimentais de estudo de partículas são uma forma de ver o que é inacessível aos humanos, mesmo usando os microscópios mais potentes. Mas primeiro as primeiras coisas.

Uma partícula elementar é um termo coletivo que se refere a partículas que não podem mais ser divididas em pedaços menores. No total, os físicos descobriram mais de 350 partículas elementares. Estamos mais acostumados a ouvir sobre prótons, neurônios, elétrons, fótons e quarks. Estas são as chamadas partículas fundamentais.

Características das partículas elementares

Todas as partículas menores têm a mesma propriedade: podem se interconverter sob a influência de sua própria influência. Alguns têm fortes propriedades eletromagnéticas, outros, fracas, gravitacionais. Mas todas as partículas elementares são caracterizadas pelos seguintes parâmetros:

• Peso.
• Spin é o momento angular intrínseco.
• Carga elétrica.
• Vida.
• Paridade.
• Momento magnético.
• Carga de Bárion.
• Carga de Leptão.

Uma breve excursão pela teoria da estrutura da matéria

Qualquer substância consiste em átomos, que por sua vez possuem um núcleo e elétrons. Os elétrons, como os planetas do sistema solar, movem-se em torno do núcleo, cada um em seu próprio eixo. A distância entre eles é muito grande, em escala atômica. O núcleo consiste em prótons e neurônios, a conexão entre eles é tão forte que não podem ser separados por nenhum método conhecido pela ciência. Esta é a essência dos métodos experimentais para estudar partículas (resumidamente).

É difícil para nós imaginar, mas a comunicação nuclear excede em milhões de vezes todas as forças conhecidas na Terra. Conhecemos uma explosão química e nuclear. Mas o que mantém os prótons e os neurônios unidos é outra coisa. Talvez esta seja a chave para desvendar o mistério da origem do universo. É por isso que é tão importante estudar métodos experimentais para estudar partículas.

Numerosos experimentos levaram os cientistas à ideia de que os neurônios consistem em unidades ainda menores e os chamaram de quarks. O que há dentro deles ainda não é conhecido. Mas os quarks são unidades inseparáveis. Ou seja, não há como destacar um. Se os cientistas usarem um método experimental de estudo de partículas para isolar um quark, então, não importa quantas tentativas façam, pelo menos dois quarks serão sempre isolados. Isto confirma mais uma vez o poder indestrutível do potencial nuclear.

Que métodos de pesquisa de partículas existem?

Passemos diretamente aos métodos experimentais para estudar partículas (Tabela 1).

Nome do método		Princípio de funcionamento
	Brilho (luminescência)	A droga radioativa emite ondas, devido às quais as partículas colidem e brilhos individuais podem ser observados.
	Ionização de moléculas de gás por partículas carregadas rapidamente	O pistão desce em alta velocidade, o que leva a um forte resfriamento do vapor, que fica supersaturado. Gotículas condensadas indicam as trajetórias de uma cadeia de íons.
Câmara de Bolhas	Ionização líquida	O volume do espaço de trabalho é preenchido com hidrogênio líquido quente ou propano, que atua sob pressão. A condição leva ao superaquecimento e a pressão diminui drasticamente. As partículas carregadas, exercendo ainda mais energia, fazem o hidrogênio ou o propano ferver. Na trajetória ao longo da qual a partícula se moveu, formam-se gotículas de vapor.
Método de cintilação (espintariscópio)	Brilho (luminescência)	Quando as moléculas de gás são ionizadas, um grande número de pares elétron-íon é criado. Quanto maior a tensão, mais pares livres são criados até atingir um pico e não sobrar íons livres. Neste momento o contador registra a partícula. Este é um dos primeiros métodos experimentais para estudar partículas carregadas e foi inventado cinco anos depois do contador Geiger - em 1912. A estrutura é simples: um cilindro de vidro com um pistão no interior. No fundo há um pano preto embebido em água e álcool, para que o ar da câmara fique saturado com seus vapores. O pistão começa a abaixar e a subir, criando pressão, e como resultado o gás esfria. A condensação deveria se formar, mas não ocorre, porque não há centro de condensação (íon ou partícula de poeira) na câmara. Depois disso, o frasco é levantado para permitir a entrada de partículas - íons ou poeira. A partícula começa a se mover e se forma condensação ao longo de sua trajetória, o que pode ser visto. O caminho que uma partícula percorre é chamado de trilha. A desvantagem deste método é que o intervalo de partículas é muito pequeno. Isso levou ao surgimento de uma teoria mais avançada baseada em um dispositivo com um meio mais denso. Câmara de Bolhas O seguinte método experimental para estudar partículas tem um princípio de operação semelhante a uma câmara de nuvens - apenas em vez de um gás saturado, há um líquido em um frasco de vidro. A base da teoria é que sob alta pressão, um líquido não pode começar a ferver acima do seu ponto de ebulição. Mas assim que uma partícula carregada aparece, o líquido começa a ferver ao longo de seu movimento, passando para o estado de vapor. Gotas desse processo são registradas por uma câmera. Método de emulsão de filme espesso Voltemos à tabela de física "Métodos experimentais para estudar partículas". Nele, junto com a câmara de Wilson e o método da bolha, foi considerado um método de detecção de partículas por meio de uma emulsão fotográfica de camada espessa. O experimento foi realizado pela primeira vez pelos físicos soviéticos L.V. Mysovsky e A.P. Jdanov em 1928. A ideia é muito simples. Para experimentos, é utilizada uma placa revestida com uma espessa camada de emulsões fotográficas. Esta emulsão fotográfica consiste em cristais de brometo de prata. Quando uma partícula carregada penetra em um cristal, ela separa os elétrons do átomo, que formam uma cadeia oculta. Isso pode ser visto revelando o filme. A imagem resultante permite calcular a energia e a massa da partícula. Na verdade, a pista é muito curta e microscopicamente pequena. Mas o bom desse método é que a imagem revelada pode ser ampliada infinitas vezes, estudando-a melhor. Método de cintilação Foi realizado pela primeira vez por Rutherford em 1911, embora a ideia tenha surgido um pouco antes de outro cientista, W. Krupe. Apesar da diferença ser de 8 anos, nesse período o aparelho teve que ser melhorado. O princípio básico é que uma tela revestida com uma substância luminescente exibirá flashes de luz à medida que uma partícula carregada passa. Os átomos de uma substância ficam excitados quando expostos a partículas com energia poderosa. No momento da colisão ocorre um flash, que é observado ao microscópio. Este método é muito impopular entre os físicos. Tem várias desvantagens. Primeiro, a precisão dos resultados obtidos depende muito da acuidade visual da pessoa. Se você piscar, poderá perder um ponto muito importante. Em segundo lugar, com a observação prolongada, os olhos cansam-se muito rapidamente e, portanto, o estudo dos átomos torna-se impossível. conclusões Existem vários métodos experimentais para estudar partículas carregadas. Como os átomos das substâncias são tão pequenos que são difíceis de ver mesmo com o microscópio mais potente, os cientistas precisam realizar vários experimentos para entender o que está no meio do centro. Nesta fase de desenvolvimento da civilização, um longo caminho foi percorrido e os elementos mais inacessíveis foram estudados. Talvez seja neles que residem os segredos do Universo.

Autor: Fomicheva S.E., professor de física da MBOU “Escola Secundária No. 27” na cidade de Kirov Métodos de registro e observação de partículas elementares Contador Geiger Câmara Wilson Câmara de bolha Método de fotoemulsão Método de cintilação Câmara de faísca (1908) Projetado para contagem automática de partículas. Permite registrar até 10.000 ou mais partículas por segundo. Registra quase todos os elétrons (100%) e 1 em 100 gama quantum (1%) O registro de partículas pesadas é difícil Hans Wilhelm Geiger 1882-1945 Dispositivo: 2. Cátodo - uma fina camada de metal 3. Ânodo - um fino fio de metal 1 Tubo de vidro cheio de argônio 4. Dispositivo de registro Para detectar um γ-quântico, a parede interna do tubo é revestida com um material do qual os γ-quanta ejetam elétrons. Princípio de funcionamento: A ação é baseada na ionização por impacto. Uma partícula carregada voando através de um gás retira elétrons dos átomos. Uma avalanche de elétrons e íons aparece. A corrente através do medidor aumenta acentuadamente. Um pulso de tensão é gerado através do resistor R, que é registrado por um dispositivo de contagem. A tensão entre o ânodo e o cátodo diminui drasticamente. A descarga para, o contador está pronto para funcionar novamente (1912) Projetado para observar e obter informações sobre partículas. À medida que uma partícula passa, ela deixa um rastro – um rastro que pode ser observado diretamente ou fotografado. Apenas partículas carregadas são detectadas; as neutras não causam ionização do átomo; sua presença é julgada por efeitos secundários. Charles Thomson Reese Wilson 1869-1959 Dispositivo: 7. Câmara cheia de água e vapor de álcool 1. Fonte de partículas 2. Vidro de quartzo 3. Eletrodos para criar um campo elétrico 6. Pistas 5. Pistão 4. Ventilador Princípio de funcionamento: A ação é baseada sobre o uso de um ambiente de estado instável. O vapor na câmara está próximo da saturação. Quando o pistão é abaixado, ocorre uma expansão adiabática e o vapor fica supersaturado. Gotas de água formam trilhas. A partícula voadora ioniza os átomos nos quais o vapor, que está em estado instável, se condensa. O pistão sobe, as gotículas evaporam, o campo elétrico remove os íons e a câmara está pronta para receber a próxima partícula Informações sobre partículas: ao longo do comprimento da pista - sobre a energia da partícula (quanto mais L, mais W ); pelo número de gotas por unidade de comprimento - sobre a velocidade (quanto mais N, mais v); Pela espessura da trilha - aproximadamente a magnitude da carga (quanto mais d, mais q) Pela curvatura da trilha em um campo magnético - aproximadamente a razão entre a carga da partícula e sua massa (quanto mais R, quanto mais m e v, mais q); Na direção da curvatura em torno do sinal da carga da partícula. (1952) Projetado para observar e obter informações sobre partículas. As trilhas são estudadas, mas, diferentemente da câmara de nuvens, permite o estudo de partículas com altas energias. Tem um ciclo de trabalho mais curto - cerca de 0,1 s. Permite observar a decomposição das partículas e as reações que ela causa. Donald Arthur Glaser 1926-2013 Dispositivo: Semelhante a uma câmara de nuvens, mas é usado hidrogênio líquido ou propano em vez de vapor.O líquido está sob alta pressão a uma temperatura acima do ponto de ebulição. O pistão desce, a pressão cai e o líquido fica instável e superaquecido. Bolhas de vapor formam trilhas. Uma partícula voadora ioniza átomos, que se tornam centros de vaporização. O pistão sobe, o vapor se condensa, o campo elétrico remove os íons e a câmara está pronta para receber a próxima partícula (1895).A placa é revestida com uma emulsão contendo um grande número de cristais de brometo de prata. À medida que a partícula passa, ela remove elétrons dos átomos de bromo e uma cadeia desses cristais forma uma imagem latente. Quando desenvolvida, a prata metálica é restaurada nesses cristais. Uma cadeia de grãos de prata forma uma trilha. Antoine Henri Becquerel Este método permite registrar fenômenos raros entre partículas e núcleos. 1. Folha de alumínio 4. Dinodo 5. Ânodo 3. Fotocátodo 2. Cintilador O método de cintilação envolve a contagem de pequenos flashes de luz quando partículas alfa atingem uma tela revestida com sulfeto de zinco. É uma combinação de um cintilador e um fotomultiplicador. Todas as partículas e 100% dos gama quanta são registrados. Permite determinar a energia das partículas. É um sistema de eletrodos metálicos paralelos, cujo espaço entre os quais é preenchido com um gás inerte. A distância entre as placas é de 1 a 10 cm e as faíscas de descarga são estritamente localizadas. Eles surgem onde aparecem cobranças gratuitas. As câmaras de faísca podem ter vários metros de tamanho. À medida que a partícula voa entre as placas, uma faísca irrompe, criando um rastro de fogo. A vantagem é que o processo de registro é gerenciável.