La acizi nucleici includ compuși cu înalți polimeri care se descompun în timpul hidrolizei în baze purinice și pirimidinice, pentoză și acid fosforic. Acizii nucleici conțin carbon, hidrogen, fosfor, oxigen și azot. Există două clase de acizi nucleici: acizi ribonucleici (ARN)și acizi dezoxiribonucleici (ADN).

Structura și funcțiile ADN-ului

ADN- un polimer ai cărui monomeri sunt dezoxiribonucleotide. Modelul structurii spațiale a moleculei de ADN sub forma unui dublu helix a fost propus în 1953 de J. Watson și F. Crick (pentru a construi acest model, au folosit lucrările lui M. Wilkins, R. Franklin, E. Chargaff).

molecula de ADN format din două lanțuri de polinucleotide, răsucite spiralat unul în jurul celuilalt și împreună în jurul unei axe imaginare, i.e. este o spirală dublă (excepție - unii virusuri care conțin ADN au ADN monocatenar). Diametrul dublei helix ADN este de 2 nm, distanța dintre nucleotidele adiacente este de 0,34 nm și există 10 perechi de nucleotide pe tură a helixului. Lungimea moleculei poate ajunge la câțiva centimetri. Greutatea moleculară - zeci și sute de milioane. Lungimea totală a ADN-ului din nucleul celulei umane este de aproximativ 2 m. În celulele eucariote, ADN-ul formează complexe cu proteinele și are o conformație spațială specifică.

Monomer ADN - nucleotidă (dezoxiribonucleotidă)- constă din reziduuri a trei substanțe: 1) o bază azotată, 2) o monozaharidă cu cinci atomi de carbon (pentoză) și 3) acid fosforic. Bazele azotate ale acizilor nucleici aparțin claselor pirimidinelor și purinelor. Bazele pirimidinice ale ADN-ului(au un inel în molecula lor) - timină, citozină. Baze purinice(au două inele) - adenină și guanină.

Monozaharida nucleotidei ADN este reprezentată de dezoxiriboză.

Numele nucleotidei este derivat din numele bazei corespunzătoare. Nucleotidele și bazele azotate sunt indicate cu majuscule.

Un lanț polinucleotidic se formează ca rezultat al reacțiilor de condensare a nucleotidelor. În acest caz, între carbonul de 3" al reziduului dezoxiriboză al unei nucleotide și restul de acid fosforic al celeilalte, legătură fosfoeter(aparține categoriei de legături covalente puternice). Un capăt al lanțului de polinucleotide se termină cu un capăt de 5 "carbon (se numește capătul 5"), celălalt se termină cu un capăt de 3 "carbon (3").

Împotriva unui lanț de nucleotide se află un al doilea lanț. Dispunerea nucleotidelor în aceste două lanțuri nu este întâmplătoare, ci strict definită: timina este întotdeauna situată opus adeninei unui lanț din celălalt lanț, iar citozina este întotdeauna situată opus guaninei, între adenină și timină apar două legături de hidrogen, trei hidrogen. legături dintre guanină și citozină. Modelul conform căruia nucleotidele diferitelor catene de ADN sunt ordonate strict (adenină - timină, guanină - citozină) și se combină selectiv unele cu altele se numește principiul complementaritatii. De remarcat că J. Watson și F. Crick au ajuns să înțeleagă principiul complementarității după citirea lucrărilor lui E. Chargaff. E. Chargaff, după ce a studiat un număr mare de mostre de țesuturi și organe ale diferitelor organisme, a descoperit că în orice fragment de ADN conținutul de reziduuri de guanină corespunde întotdeauna exact conținutului de citozină, iar adenina timinei ( „Regula lui Chargaff”), dar nu a putut explica acest fapt.

Din principiul complementarității rezultă că secvența de nucleotide a unui lanț determină secvența de nucleotide a altuia.

Catenele de ADN sunt antiparalele (opuse), adică. nucleotidele diferitelor lanțuri sunt situate în direcții opuse și, prin urmare, opus capătului 3 al unui lanț se află capătul 5 al celuilalt. Molecula de ADN este uneori comparată cu o scară în spirală. „Balustrada” acestei scări este coloana vertebrală zahăr-fosfat (reziduuri alternative de deoxiriboză și acid fosforic); „treptele” sunt baze azotate complementare.

Funcția ADN-ului- stocarea si transmiterea informatiilor ereditare.

Replicarea (reduplicarea) ADN-ului

- procesul de autodublare, principala proprietate a moleculei de ADN. Replicarea aparține categoriei reacțiilor de sinteză a matricei și implică enzime. Sub acțiunea enzimelor, molecula de ADN se desfășoară, iar în jurul fiecărei catene care acționează ca șablon, o nouă catenă este completată conform principiilor complementarității și antiparalelismului. Astfel, în fiecare ADN fiică, o catenă este catena părinte, iar a doua catenă este nou sintetizată. Acest tip de sinteză se numește semiconservatoare.

„Materialul de construcție” și sursa de energie pentru replicare sunt trifosfați dezoxiribonucleozidici(ATP, TTP, GTP, CTP) care conține trei resturi de acid fosforic. Când trifosfații dezoxiribonucleozidici sunt incluși în lanțul polinucleotidic, două resturi terminale de acid fosforic sunt scindate, iar energia eliberată este utilizată pentru a forma o legătură fosfodiesterică între nucleotide.

Următoarele enzime sunt implicate în replicare:

1. helicaze (ADN-ul de desfășurare);
2. proteine ​​destabilizatoare;
3. ADN topoizomeraze (ADN tăiat);
4. ADN polimeraze (selectează trifosfații dezoxiribonucleozidici și le atașează în mod complementar la lanțul șablon de ADN);
5. primaze ARN (formă primeri ARN, primeri);
6. ADN ligaze (coaseți fragmente de ADN împreună).

Cu ajutorul helicazelor, ADN-ul este deztors în anumite regiuni, regiunile ADN monocatenar sunt legate de proteine ​​destabilizatoare și furcă de replicare. Cu o discrepanță de 10 perechi de nucleotide (o tură a helixului), molecula de ADN trebuie să finalizeze o revoluție completă în jurul axei sale. Pentru a preveni această rotație, ADN-topoizomeraza taie o catenă de ADN, permițându-i să se rotească în jurul celei de-a doua catene.

ADN polimeraza poate atașa doar o nucleotidă la carbonul de 3" al dezoxiribozei nucleotidei anterioare, astfel încât această enzimă se poate deplasa de-a lungul ADN-ului șablon într-o singură direcție: de la capătul de 3" la capătul de 5" al acestui ADN șablon. Deoarece lanțurile din ADN-ul matern sunt antiparalele, atunci pe diferitele sale lanțuri asamblarea lanțurilor polinucleotidice fiice are loc în moduri diferite și în direcții opuse. Pe lanțul 3 "-5", sinteza lanțului polinucleotid fiice decurge fără întrerupere; acest lanț fiică se va numi conducere. Pe lanțul 5 "-3" - intermitent, în fragmente ( fragmente din Okazaki), care, după terminarea replicării de către ADN ligaze, sunt fuzionate într-o singură catenă; acest lanț de copii se va numi întârziat (rămânând în urmă).

O caracteristică a ADN polimerazei este că își poate începe lucrul numai cu "seminte" (grund). Rolul „semințelor” este îndeplinit de secvențe scurte de ARN formate cu participarea enzimei primazei ARN și asociate cu ADN șablon. Primerii ARN sunt îndepărtați după finalizarea ansamblării lanțurilor de polinucleotide.

Replicarea se desfășoară în mod similar în procariote și eucariote. Rata de sinteză a ADN-ului la procariote este cu un ordin de mărime mai mare (1000 de nucleotide pe secundă) decât la eucariote (100 de nucleotide pe secundă). Replicarea începe simultan în mai multe regiuni ale moleculei de ADN. O bucată de ADN de la o origine de replicare la alta formează o unitate de replicare - replicon.

Replicarea are loc înainte de diviziunea celulară. Datorită acestei capacități a ADN-ului, se realizează transferul de informații ereditare de la celula mamă la celulele fiice.

Reparație („reparație”)

reparatii este procesul de reparare a deteriorării secvenței de nucleotide a ADN-ului. Este realizat de sisteme enzimatice speciale ale celulei ( enzime reparatoare). Următoarele etape pot fi distinse în procesul de reparare a structurii ADN: 1) nucleazele de reparare a ADN-ului recunosc și îndepărtează zona deteriorată, rezultând un gol în lanțul ADN; 2) ADN polimeraza umple acest gol prin copierea informațiilor din a doua catenă („bună”); 3) ADN ligaza „reticulă” nucleotidele, completând reparația.

Au fost studiate cel mai mult trei mecanisme de reparare: 1) fotorepararea, 2) repararea cu accize sau pre-replicative, 3) repararea post-replicativă.

Modificările în structura ADN-ului apar constant în celulă sub influența metaboliților reactivi, radiațiilor ultraviolete, metalelor grele și sărurilor acestora etc. Prin urmare, defectele sistemelor de reparare cresc rata proceselor de mutație și sunt cauza bolilor ereditare (xerodermie). pigmentosa, progeria etc.).

Structura și funcțiile ARN

este un polimer ai cărui monomeri sunt ribonucleotide. Spre deosebire de ADN, ARN-ul este format nu din două, ci dintr-un singur lanț de polinucleotide (excepție - unii virusuri care conțin ARN au ARN dublu catenar). Nucleotidele ARN sunt capabile să formeze legături de hidrogen între ele. Lanțurile de ARN sunt mult mai scurte decât lanțurile de ADN.

Monomer ARN - nucleotidă (ribonucleotidă)- constă din reziduuri a trei substanțe: 1) o bază azotată, 2) o monozaharidă cu cinci atomi de carbon (pentoză) și 3) acid fosforic. Bazele azotate ale ARN aparțin și ele claselor de pirimidine și purine.

Bazele pirimidinice ale ARN sunt uracil, citozină, iar bazele purinice sunt adenina și guanina. Monozaharida nucleotidă ARN este reprezentată de riboză.

Aloca trei tipuri de ARN: 1) informativ(matrice) ARN - ARNm (ARNm), 2) transport ARN - ARNt, 3) ribozomal ARN - ARNr.

Toate tipurile de ARN sunt polinucleotide neramificate, au o conformație spațială specifică și participă la procesele de sinteză a proteinelor. Informațiile despre structura tuturor tipurilor de ARN sunt stocate în ADN. Procesul de sinteză a ARN-ului pe un șablon de ADN se numește transcripție.

Transfer ARN-uri conțin de obicei 76 (de la 75 la 95) nucleotide; greutate moleculară - 25 000-30 000. Ponderea ARNt reprezintă aproximativ 10% din conținutul total de ARN din celulă. Funcții ARNt: 1) transportul aminoacizilor la locul sintezei proteinelor, la ribozomi, 2) mediator de translație. În celulă se găsesc aproximativ 40 de tipuri de ARNt, fiecare dintre ele având o secvență de nucleotide caracteristică doar pentru aceasta. Cu toate acestea, toate ARNt-urile au mai multe regiuni complementare intramoleculare, datorită cărora ARNt-urile capătă o conformație care seamănă cu o frunză de trifoi. Orice ARNt are o buclă pentru contactul cu ribozomul (1), o buclă anticodon (2), o buclă pentru contactul cu enzima (3), o tulpină acceptor (4) și un anticodon (5). Aminoacidul este atașat la capătul 3’ al tulpinii acceptoare. Anticodon- trei nucleotide care „recunosc” codonul ARNm. Trebuie subliniat faptul că un anumit ARNt poate transporta un aminoacid strict definit corespunzător anticodonului său. Specificitatea conexiunii dintre aminoacizi și ARNt se realizează datorită proprietăților enzimei aminoacil-ARNt sintetaza.

ARN ribozomal conţin 3000-5000 de nucleotide; greutate moleculară - 1 000 000-1 500 000. ARNr reprezintă 80-85% din conținutul total de ARN din celulă. În combinație cu proteinele ribozomale, ARNr formează ribozomi - organele care realizează sinteza proteinelor. În celulele eucariote, sinteza ARNr are loc în nucleol. funcțiile ARNr: 1) o componentă structurală necesară a ribozomilor și, astfel, asigurând funcționarea ribozomilor; 2) asigurarea interacțiunii ribozomului și ARNt; 3) legarea inițială a ribozomului și a codonului inițiator ARNm și determinarea cadrului de citire, 4) formarea centrului activ al ribozomului.

Informații ARN a variat în conținutul de nucleotide și greutatea moleculară (de la 50.000 la 4.000.000). Ponderea ARNm reprezintă până la 5% din conținutul total de ARN din celulă. Funcțiile ARNm: 1) transferul de informații genetice de la ADN la ribozomi, 2) o matrice pentru sinteza unei molecule de proteine, 3) determinarea secvenței de aminoacizi a structurii primare a unei molecule de proteine.

Structura și funcțiile ATP

Acid adenozin trifosforic (ATP) este o sursă universală și principalul acumulator de energie în celulele vii. ATP se găsește în toate celulele vegetale și animale. Cantitatea de ATP este în medie de 0,04% (din masa brută a celulei), cea mai mare cantitate de ATP (0,2-0,5%) se găsește în mușchii scheletici.

ATP constă din reziduuri: 1) o bază azotată (adenină), 2) o monozaharidă (riboză), 3) trei acizi fosforici. Deoarece ATP conține nu unul, ci trei reziduuri de acid fosforic, acesta aparține trifosfaților ribonucleozidici.

Pentru majoritatea tipurilor de lucru care au loc în celule, se utilizează energia hidrolizei ATP. În același timp, când restul terminal al acidului fosforic este scindat, ATP este transformat în ADP (acid adenozin difosforic), când al doilea reziduu de acid fosforic este scindat, acesta devine AMP (acid adenozin monofosforic). Randamentul de energie liberă în timpul eliminării atât a resturilor terminale, cât și a celui de-al doilea de acid fosforic este de 30,6 kJ fiecare. Scindarea celei de-a treia grupări fosfat este însoțită de eliberarea a doar 13,8 kJ. Legăturile dintre terminal și al doilea, al doilea și primul reziduu de acid fosforic se numesc macroergice (de înaltă energie).

Rezervele de ATP sunt reînnoite în mod constant. În celulele tuturor organismelor, sinteza ATP are loc în procesul de fosforilare, adică. adăugarea de acid fosforic la ADP. Fosforilarea are loc cu intensitate diferită în timpul respirației (mitocondrii), glicolizei (citoplasmei), fotosintezei (cloroplaste).

ATP este principala legătură între procesele însoțite de eliberarea și acumularea de energie și procesele care necesită energie. În plus, ATP, împreună cu alți trifosfați ribonucleozidici (GTP, CTP, UTP), este un substrat pentru sinteza ARN.

Mergi la cursurile №3„Structura și funcția proteinelor. Enzime»

Mergi la cursurile numarul 5"Teoria celulei. Tipuri de organizare celulară»

Pentru dezvoltarea ulterioară a fizicii nucleare (în special, pentru a studia structura nucleelor ​​atomice), au fost necesare dispozitive speciale cu care să fie posibilă înregistrarea nucleelor ​​și diferitelor particule, precum și studierea interacțiunilor acestora.

Una dintre metodele de detectare a particulelor cunoscute de dvs. - metoda scintilației - nu oferă acuratețea necesară, deoarece rezultatul numărării blițurilor pe ecran depinde în mare măsură de acuitatea vizuală a observatorului. În plus, observarea pe termen lung este imposibilă, deoarece ochiul obosește rapid.

Un dispozitiv mai avansat pentru înregistrarea particulelor este așa-numitul contor Geiger, inventat în 1908 de fizicianul german Hans Geiger.

Pentru a lua în considerare dispozitivul și principiul de funcționare al acestui dispozitiv, să ne întoarcem la Figura 159. Contorul Geiger constă dintr-un cilindru metalic, care este catodul (adică un electrod încărcat negativ) și un fir subțire întins de-a lungul axei sale - anodul (adică electrodul pozitiv). Catodul și anodul sunt conectate prin rezistența R la o sursă de înaltă tensiune (de ordinul a 200-1000 V), datorită căreia ia naștere un câmp electric puternic în spațiul dintre electrozi. Ambii electrozi sunt plasați într-un tub de sticlă etanș umplut cu un gaz rarefiat (de obicei argon).

Orez. 159. Schema dispozitivului contorului Geiger

Atâta timp cât gazul nu este ionizat, nu există curent în circuitul electric al sursei de tensiune. Dacă o particulă capabilă să ionizeze atomi de gaz zboară în tub prin pereții acestuia, atunci se formează o anumită cantitate de perechi electron-ion în tub. Electronii și ionii încep să se deplaseze către electrozii corespunzători.

Dacă intensitatea câmpului electric este suficient de mare, atunci electronii de pe calea liberă medie (adică între ciocnirile cu moleculele de gaz) dobândesc o energie suficient de mare și, de asemenea, ionizează atomii de gaz, formând o nouă generație de ioni și electroni, care poate lua, de asemenea, parte în ionizare și etc. În tub se formează o așa-numită avalanșă de ioni de electroni, în urma căreia are loc o creștere bruscă și pe termen scurt a puterii curentului în circuit și a tensiunii pe rezistența R. Acest impuls de tensiune, care indică faptul că o particulă a intrat în contor, este înregistrat de un dispozitiv special.

Deoarece rezistența R este foarte mare (de ordinul a 10 9 Ohm), atunci, în momentul curgerii curentului, ponderea principală a tensiunii sursei scade exact pe ea, drept urmare tensiunea dintre catod și anod scade. brusc și descărcarea se oprește automat (deoarece această tensiune devine insuficientă pentru formarea de noi generații de perechi electron-ion). Dispozitivul este gata să înregistreze următoarea particulă.

Contorul Geiger este folosit în principal pentru înregistrarea electronilor, dar există modele care sunt potrivite și pentru înregistrarea γ-quanta.

Contorul vă permite doar să înregistrați faptul că o particulă zboară prin ea. Oportunități mult mai mari de studiere a microcosmosului sunt oferite de dispozitivul inventat de fizicianul scoțian Charles Wilson în 1912 și numit camera cu nori.

O cameră cu nor (Fig. 160) constă dintr-un cilindru de sticlă CC scăzut cu un capac de sticlă LL (cilindrul este prezentat în secțiune din figură). Pistonul P se poate mișca în interiorul cilindrului.În partea inferioară a camerei se află o pânză neagră FF. Datorită faptului că țesutul este umezit cu un amestec de apă și alcool etilic, aerul din cameră este saturat cu vapori ai acestor lichide.

Orez. 160. Schema camerei de nor a dispozitivului

Odată cu mișcarea rapidă în jos a pistonului, aerul și vaporii lichidelor din cameră se extind, energia lor internă scade și temperatura scade.

În condiții normale, aceasta ar provoca condensarea vaporilor (ceață). Cu toate acestea, acest lucru nu se întâmplă în camera cu nori, deoarece așa-numitele nuclee de condensare (particule de praf, ioni etc.) sunt îndepărtate anterior din aceasta. Prin urmare, în acest caz, pe măsură ce temperatura din cameră scade, vaporii lichidelor devin suprasaturați, adică trec într-o stare extrem de instabilă în care se vor condensa ușor pe orice nuclee de condensare formate în cameră, de exemplu, pe ioni. .

Particulele studiate sunt admise în cameră printr-o fereastră subțire (uneori sursa de particule este plasată în interiorul camerei). Zburând cu viteză mare prin gaz, particulele creează ioni pe drum. Acești ioni devin nuclee de condensare, pe care vaporii lichizi se condensează sub formă de mici picături (vaporii de apă se condensează în principal pe ionii negativi, vaporii de alcool etilic pe cei pozitivi). De-a lungul întregului traseu al particulei, apare o urmă subțire de picături (urmă), datorită căreia traiectoria sa de mișcare devine vizibilă.

Dacă plasați o cameră cu nori într-un câmp magnetic, atunci traiectoriile particulelor încărcate sunt curbate. După direcția de îndoire a urmei, se poate judeca semnul sarcinii particulei, iar după raza de curbură se poate determina masa, energia și sarcina acesteia.

Urmele nu există mult timp în cameră, deoarece aerul se încălzește, primind căldură de la pereții camerei, iar picăturile se evaporă. Pentru a obține noi urme, este necesar să eliminați ionii existenți folosind un câmp electric, să comprimați aerul cu un piston, să așteptați până când aerul din cameră, încălzit în timpul compresiei, se răcește și să efectuați o nouă expansiune.

De obicei, urmele de particule într-o cameră cu nori nu sunt doar observate, ci și fotografiate. În acest caz, camera este iluminată din lateral cu un fascicul puternic de raze de lumină, așa cum se arată în Figura 160.

Cu camera cu nori, s-au făcut o serie de descoperiri importante în domeniul fizicii nucleare și al fizicii particulelor elementare.

Una dintre varietățile camerei cu nori este camera cu bule inventată în 1952. Funcționează pe aproximativ același principiu ca o cameră cu nori, dar în loc de abur suprasaturat, folosește un lichid supraîncălzit peste punctul de fierbere (de exemplu, hidrogen lichid). Când o particulă încărcată se mișcă în acest lichid de-a lungul traiectoriei sale, se formează o serie de bule de vapori. Camera cu bule este mai rapidă decât camera cu nori.

Întrebări

1. Conform figurii 159, spuneți-ne despre dispozitiv și despre principiul de funcționare al contorului Geiger.
2. Ce fel de particule sunt folosite într-un contor Geiger?
3. Conform figurii 160, spuneți-ne despre dispozitiv și despre principiul de funcționare al camerei de nor.
4. Ce caracteristici ale particulelor pot fi determinate folosind o cameră cu nori plasată într-un câmp magnetic?
5. Care este avantajul unei camere cu bule față de o cameră cu nor? Prin ce diferă aceste dispozitive?

Particulele elementare pot fi observate datorită urmelor pe care le lasă la trecerea prin materie. Natura urmelor face posibilă aprecierea semnului încărcăturii particulei, a energiei și a impulsului. Particulele încărcate provoacă ionizarea moleculelor în calea lor. Particulele neutre nu lasă urme pe drum, dar se pot dezvălui în momentul dezintegrarii în particule încărcate sau în momentul ciocnirii cu un nucleu. Prin urmare, particulele neutre sunt detectate și prin ionizare cauzată de particulele generate sau încărcate.

Contor Geiger cu descărcare de gaz. Un contor Geiger este un dispozitiv pentru numărarea automată a particulelor. Contorul constă dintr-un tub de sticlă acoperit din interior cu un strat metalic (catod) și un fir subțire de metal care trece de-a lungul axei tubului (anod).

Tubul este de obicei umplut cu un gaz inert (argon). Funcționarea dispozitivului se bazează pe ionizare prin impact. O particulă încărcată care zboară printr-un gaz se ciocnește cu atomii, ducând la crearea de ioni și electroni pozitivi de gaz. Câmpul electric dintre catod și anod accelerează electronii până la energiile la care începe ionizarea de impact. Apare o avalanșă de ioni și electroni, iar curentul prin contor crește brusc. În acest caz, se formează un impuls de tensiune pe rezistența de sarcină R, care este alimentată la dispozitivul de numărare.

Contorul Geiger este folosit în principal pentru a înregistra electronii și -quanta. Înregistrarea particulelor grele (de exemplu, -particule) este dificilă, deoarece este dificil să se facă transparentă o „fereastră” suficient de subțire pentru aceste particule în contor.

camera cu nori. Într-o cameră cu nori, construită în 1912, o particulă încărcată lasă o urmă care poate fi observată direct sau fotografiată. Funcționarea camerei se bazează pe condensarea aburului suprasaturat pe ioni cu formarea de picături de apă. Acești ioni sunt creați de-a lungul traiectoriei sale de o particulă încărcată în mișcare. Prin lungimea urmei (urmei) lăsate de particule, se poate determina energia particulei, iar după numărul de picături pe unitatea de lungime a pistei, se poate estima viteza acesteia. Particulele foarte încărcate lasă o urmă mai groasă.

camera cu bule.În 1952 Omul de știință american D. Glaser a sugerat utilizarea unui lichid supraîncălzit pentru a detecta urmele de particule. O particulă ionizantă care zboară prin cameră provoacă o fierbere rapidă a lichidului, în urma căreia urma particulei se dovedește a fi indicată de un lanț de bule de vapori - se formează o urmă.

camera de emulsie. Fizicienii sovietici L.V. Mysovsky și A.P. Jdanov a fost primul care a folosit plăci fotografice pentru a înregistra microparticulele. Particulele încărcate au același efect asupra emulsiei fotografice ca și fotonii. Prin urmare, după dezvoltarea plăcii în emulsie, se formează o urmă (urmă) vizibilă a particulei zburătoare. Un dezavantaj al metodei plăcilor fotografice a fost grosimea mică a stratului de emulsie, ca urmare a căreia s-au obținut complet doar urme de particule aflate paralele cu planul stratului.

În camerele de emulsie, pachetele groase formate din straturi individuale de emulsie fotografică sunt expuse la radiații. Această metodă a fost numită metoda emulsiilor fotografice în strat gros.

În acest articol, vă vom ajuta să vă pregătiți pentru o lecție de fizică (clasa a 9-a). cercetarea particulelor nu este un subiect obișnuit, ci o excursie foarte interesantă și interesantă în lumea științei nucleare moleculare. Civilizația a reușit să atingă un astfel de nivel de progres destul de recent, iar oamenii de știință încă se cer dacă omenirea are nevoie de astfel de cunoștințe? La urma urmei, dacă oamenii pot repeta procesul unei explozii atomice care a dus la apariția Universului, atunci nu numai planeta noastră, ci întregul Cosmos poate fi distrus.

Despre ce particule vorbim și de ce să le studiem

Răspunsurile parțiale la aceste întrebări sunt date de cursul de fizică. Metodele experimentale de cercetare a particulelor sunt o modalitate de a vedea ceea ce este inaccesibil oamenilor chiar și folosind cele mai puternice microscoape. Dar mai întâi lucrurile.

O particulă elementară este un termen colectiv care se referă la particule care nu mai pot fi împărțite în bucăți mai mici. În total, mai mult de 350 de particule elementare au fost descoperite de fizicieni. Suntem cel mai obișnuiți să auzim despre protoni, neuroni, electroni, fotoni, quarci. Acestea sunt așa-numitele particule fundamentale.

Caracteristicile particulelor elementare

Toate cele mai mici particule au aceeași proprietate: se pot transforma reciproc sub influența propriei influențe. Unele au proprietăți electromagnetice puternice, altele au proprietăți gravitaționale slabe. Dar toate particulele elementare sunt caracterizate de următorii parametri:

• Greutate.
• Spinul este momentul intrinsec al impulsului.
• Incarcare electrica.
• Durata de viață.
• Paritate.
• moment magnetic.
• sarcină barionică.
• sarcina de lepton.

O scurtă excursie în teoria structurii materiei

Orice substanță este formată din atomi, care au, la rândul lor, un nucleu și electroni. Electronii, ca și planetele din sistemul solar, se mișcă în jurul nucleului, fiecare pe propria axă. Distanța dintre ele este foarte mare, la scară atomică. Nucleul este format din protoni și neuroni, legătura dintre ei este atât de puternică încât este imposibil să le separăm în vreun fel cunoscut științei. Aceasta este esența metodelor experimentale pentru studierea particulelor (pe scurt).

Ne este greu să ne imaginăm acest lucru, dar comunicarea nucleară depășește de milioane de ori toate forțele cunoscute pe pământ. Știm explozie chimică, nucleară. Dar ceea ce ține împreună protonii și neuronii este altceva. Poate că aceasta este cheia dezvăluirii misterului originii universului. De aceea este atât de important să studiem metodele experimentale pentru studierea particulelor.

Numeroase experimente i-au condus pe oamenii de știință la ideea că neuronii sunt formați din unități și mai mici și i-au numit quarci. Ce se află în interiorul lor nu se știe încă. Dar quarkurile sunt unități inseparabile. Adică, nu există nicio modalitate de a evidenția unul. Dacă oamenii de știință folosesc experimentele cu particule pentru a extrage un cuarc, indiferent de câte încercări ar face, cel puțin doi cuarci sunt întotdeauna eliberați. Acest lucru confirmă încă o dată puterea indestructibilă a potențialului nuclear.

Care sunt metodele de studiu a particulelor

Să trecem direct la metodele experimentale de studiere a particulelor (Tabelul 1).

Numele metodei		Principiul de funcționare
	Strălucire (luminiscență)	Medicamentul radioactiv emite unde, datorită cărora particulele se ciocnesc și pot fi observate străluciri individuale.
	Ionizarea moleculelor de gaz de către particule încărcate rapid	Coboară pistonul la viteză mare, ceea ce duce la răcirea puternică a aburului, care devine suprasaturat. Picăturile de condens indică traiectoriile lanțului de ioni.
camera cu bule	Ionizare lichidă	Volumul spațiului de lucru este umplut cu hidrogen lichid fierbinte sau propan, asupra căruia se acționează sub presiune. Aduceți starea la supraîncălzire și reduceți brusc presiunea. Particulele încărcate, acționând cu și mai multă energie, provoacă fierberea hidrogenului sau propanului. Pe traiectoria de-a lungul căreia s-a deplasat particula, se formează picături de vapori.
Metoda de scintilație (Spinthariscope)	Strălucire (luminiscență)	Când moleculele de gaz sunt ionizate, sunt produse un număr mare de perechi electron-ion. Cu cât tensiunea este mai mare, cu atât apar mai multe perechi libere până când atinge un vârf și nu mai rămâne niciun ion liber. În acest moment, contorul înregistrează particula. Aceasta este una dintre primele metode experimentale pentru studierea particulelor încărcate și a fost inventată cinci ani mai târziu decât contorul Geiger - în 1912. Structura este simplă: un cilindru de sticlă, în interior - un piston. Mai jos este o cârpă neagră înmuiată în apă și alcool, astfel încât aerul din cameră să fie saturat cu vaporii lor. Pistonul începe să coboare și să se ridice, creând presiune, provocând răcirea gazului. Ar trebui să se formeze condens, dar nu există, deoarece nu există un centru de condensare (ion sau granule de praf) în cameră. După aceea, balonul este ridicat pentru a obține particule - ioni sau praf. Particula începe să se miște și se formează condens de-a lungul traiectoriei sale, ceea ce poate fi văzut. Calea pe care o parcurge o particulă se numește cale. Dezavantajul acestei metode este că intervalul de particule este prea mic. Acest lucru a condus la o teorie mai progresivă bazată pe un dispozitiv cu un mediu mai dens. camera cu bule Următoarea metodă experimentală pentru studierea particulelor are un principiu similar de funcționare al unei camere cu nor - Numai în loc de un gaz saturat, există un lichid într-un balon de sticlă. Baza teoriei este că, la presiune ridicată, un lichid nu poate începe să fiarbă peste punctul de fierbere. Dar de îndată ce apare o particulă încărcată, lichidul începe să fiarbă pe traseul mișcării sale, transformându-se într-o stare de vapori. Picăturile acestui proces sunt captate de o cameră. Metoda emulsiilor fotografice în strat gros Să revenim la tabelul în fizică „Metode experimentale pentru investigarea particulelor”. În acesta, împreună cu camera de nor și metoda cu bule, a fost luată în considerare o metodă de detectare a particulelor folosind o emulsie fotografică în strat gros. Experimentul a fost pus în scenă de către fizicienii sovietici L.V. Mysovsky și A.P. Jdanov în 1928. Ideea este foarte simplă. Pentru experimente se folosește o placă acoperită cu un strat gros de emulsii fotografice. Această emulsie fotografică constă din cristale de bromură de argint. Când o particulă încărcată pătrunde într-un cristal, ea separă electronii de atom, care formează un lanț ascuns. Poate fi văzut prin dezvoltarea filmului. Imaginea rezultată vă permite să calculați energia și masa particulei. De fapt, pista este foarte scurtă și mic din punct de vedere microscopic. Dar metoda este bună pentru că imaginea dezvoltată poate fi mărită de un număr infinit de ori, studiindu-l astfel mai bine. Metoda scintilației A fost deținut pentru prima dată de Rutherford în 1911, deși ideea a apărut puțin mai devreme de la un alt om de știință, W. Krupe. În ciuda faptului că diferența era de 8 ani, dispozitivul a trebuit îmbunătățit în acest timp. Principiul de bază este că un ecran acoperit cu o substanță luminiscentă va afișa fulgerări de lumină pe măsură ce o particulă încărcată trece. Atomii unei substanțe sunt excitați atunci când sunt expuși la o particulă cu o energie puternică. În momentul ciocnirii, apare un fulger, care este observat la microscop. Această metodă este foarte nepopulară în rândul fizicienilor. Are mai multe dezavantaje. În primul rând, acuratețea rezultatelor obținute depinde foarte mult de acuitatea vizuală a persoanei. Dacă clipești, poți rata un moment foarte important. Al doilea este că, la observarea prelungită, ochii obosesc foarte repede și, prin urmare, studiul atomilor devine imposibil. concluzii Există mai multe metode experimentale pentru studiul particulelor încărcate. Deoarece atomii materiei sunt atât de mici încât sunt greu de văzut chiar și cu cel mai puternic microscop, oamenii de știință trebuie să experimenteze pentru a înțelege ce se află în mijlocul centrului. În această etapă a dezvoltării civilizației s-a făcut un drum lung și au fost studiate elementele cele mai inaccesibile. Poate că în ele zac secretele universului.

Autor: Fomicheva S.E., profesor de fizică MBOU „Școala Gimnazială Nr. 27” a orașului Kirov Metode de înregistrare și observare a particulelor elementare Contor Geiger Camera Wilson Camera cu bule Metoda emulsie foto Metoda scintilației Camera cu scântei (1908) Proiectată pentru numărarea automată a particule. Vă permite să înregistrați până la 10.000 sau mai multe particule pe secundă. Înregistrează aproape fiecare electron (100%) și 1 din 100 gamma-quanta (1%) Înregistrarea particulelor grele este dificilă Hans Wilhelm Geiger 1882-1945 Dispozitiv: 2. Catod - un strat subțire de metal 3. Anod - un fir de metal subțire 1. Tub de sticlă, umplut cu argon 4. Dispozitiv de înregistrare Pentru a detecta un γ-quantum, peretele interior al tubului este acoperit cu un material din care γ-quanta extrage electroni. Principiul de acțiune: Acțiunea se bazează pe ionizare de impact. O particulă încărcată care zboară printr-un gaz elimină electronii din atomi. Există o avalanșă de electroni și ioni. Curentul prin contor crește brusc. Pe rezistorul R se formează un impuls de tensiune, care este înregistrat de un dispozitiv de numărare. Tensiunea dintre anod și catod scade brusc. Descărcarea se oprește, contorul este din nou gata de funcționare (1912) Proiectat pentru a observa și obține informații despre particule. Când o particulă trece, ea lasă o urmă - o urmă care poate fi observată direct sau fotografiată. Doar particulele încărcate sunt fixe, cele neutre nu provoacă ionizarea atomului, prezența lor este judecată după efecte secundare. Charles Thomson Reese Wilson 1869-1959 Dispozitiv: 7. Cameră umplută cu vapori de apă și alcool 1. Sursă de particule 2. Sticlă de cuarț 3. Electrozi pentru a crea un câmp electric 6. Senile 5. Piston 4. Ventilator Principiul de funcționare: Funcționarea se bazează pe utilizarea unui mediu de stat instabil. Vaporii din cameră sunt aproape de saturație. Când pistonul este coborât, are loc o dilatare adiabatică și aburul devine suprasaturat. Picăturile de apă formează urme. Particula zburătoare ionizează atomii, pe care se condensează vaporii, care se află într-o stare instabilă. Pistonul se ridică, picăturile se evaporă, câmpul electric elimină ionii și camera este gata să primească următoarea particule. prin numărul de picături pe unitatea de lungime - despre viteza (cu cât mai mult N, v); În funcție de grosimea pistei - despre mărimea sarcinii (cu cât mai mult d, q); În funcție de curbura pistei într-un câmp magnetic, despre raportul dintre sarcina unei particule și masa acesteia (cu atât mai mult R, cu cât mai multe m și v, cu atât mai mult q); În direcția îndoirii în jurul semnului sarcinii particulei. (1952) Conceput pentru a observa și obține informații despre particule. Urmele sunt studiate, dar, spre deosebire de camera cu nori, permite studierea particulelor cu energii mari. Are un ciclu de lucru mai scurt - aproximativ 0,1 s. Vă permite să observați degradarea particulelor și reacțiile pe care le provoacă. Donald Arthur Glaser 1926-2013 Aranjament: Similar cu o cameră cu nori, dar în loc de vapori se folosește hidrogen lichid sau propan.Lichidul este sub presiune mare la o temperatură peste punctul de fierbere. Pistonul coboară, presiunea scade și fluidul este într-o stare instabilă, supraîncălzită. Bulele de vapori formează urme. Particula zburătoare ionizează atomii, care devin centrele de vaporizare. Pistonul se ridică, aburul se condensează, câmpul electric îndepărtează ionii și camera este gata să primească următoarea particule (1895) Placa este acoperită cu o emulsie care conține un număr mare de cristale de bromură de argint. Zburând, particula rupe electroni din atomii de brom, un lanț de astfel de cristale formează o imagine latentă. Când este dezvoltat în aceste cristale, argintul metalic este restaurat. Un lanț de boabe de argint formează o pistă. Antoine Henri Becquerel Această metodă face posibilă înregistrarea fenomenelor rare între particule și nuclee. 1. Folie de aluminiu 4. Dynode 5. Anod 3. Fotocatod 2. Scintilator Metoda scintilației constă în numărarea fulgerelor mici de lumină atunci când particulele α lovesc un ecran acoperit cu sulfură de zinc. Este o combinație între un scintilator și un fotomultiplicator. Toate particulele și 100% din quanta gamma sunt înregistrate. Vă permite să determinați energia particulelor. Reprezintă un sistem de electrozi metalici paraleli, spațiul dintre care este umplut cu un gaz inert. Distanța dintre plăci este de la 1 la 10 cm.Scânteile de descărcare sunt strict localizate. Ele apar acolo unde există taxe gratuite. Camerele de scânteie pot avea dimensiuni de ordinul mai multor metri. Când o particulă trece printre plăci, o scânteie se sparge, creând o urmă de foc. Avantajul este că procesul de înregistrare este gestionabil.