Хроматин
1) гетерохроматин;
2) эухроматин.
Гетерохроматин
Структурный
Факультативный
Эухроматин
а) гистоновыми белками;
б) негистоновыми белками.
ЁГистоновые белки (гистоны
ЁНегистоновые белки
Ядрышко
ЁРазмер — 1-5 мкм.
ЁФорма — сферическая.
Гранулярный компонент
Фибриллярный
Ядерная оболочка
1. Внешней ядерной мембраны (m. nuclearis externa),
Внутренняя ядерная мембрана
ЁФункции:
Кариоплазма
Репродукция клеток
Ядерный аппарат
Ядро присутствует во всех эукариотических клетках, за исключением зрелых эритроцитов и ситовидных трубок растений. Клетки, как правило, имеют одно ядро, но иногда встречаются многоядерные клетки.
Ядро бывает шаровидной или овальной формы.
В некоторых клетках встречаются сегментированные ядра. Размеры ядер — от 3 до 10 мкм в диаметре. Ядро необходимо для жизни клетки. Оно регулирует активность клетки. В ядре хранится наследственная информация, заключенная в ДНК. Эта информация, благодаря ядру, при делении клетки передается дочерним клеткам. Ядро определяет специфичность белков, синтезируемых в клетке. В ядре содержится множество белков, необходимых для обеспечения его функций. В ядре синтезируется РНК.
Клеточное ядро состоит из оболочки, ядерного сока, одного или нескольких ядрышек и хроматина .
Функциональная роль ядерной оболочки заключается в обособлении генетического материала (хромосом) эукариотической клетки от цитоплазмы с присущими ей многочисленными метаболическими реакциями, а также регуляции двусторонних взаимодействий ядра и цитоплазмы. Ядерная оболочка состоит из двух мембран – внешней и внутренней, между которыми располагается околоядерное (перинуклеарное) пространством . Последнее может сообщаться с канальцами цитоплазматической сети. Внешняя мембрана ядерной оболочки непосредственно контактирует с цитоплазмой клетки, имеет ряд структурных особенностей, позволяющих отнести ее к собственно мембранной системе ЭПР. На ней располагается большое количество рибосом, как и на мембранах эргастоплазмы. Внутренняя мембрана ядерной оболочки рибосом на своей поверхности не имеет, но структурно связана с ядерной ламиной – фиброзным периферическим слоем ядерного белкового матрикса.
В ядерной оболочке имеются ядерные поры диаметром 80-90 нм, которые образуются за счет многочисленных зон слияния двух ядерных мембран и представляют собой как бы округлые, сквозные перфорации всей ядерной оболочки. Поры играют важную роль в переносе веществ в цитоплазму и из нее. Ядерный поровый комплекс (ЯПК) с диаметром около 120 нм имеет определенное строение (состоит из более 1000 белков – нуклеопоринов , масса которых в 30 раз больше, чем рибосома), что указывает на сложный механизм регуляции ядерно-цитоплазматических перемещений веществ и структур. В процессе ядерно-цитоплазматического транспорта ядерные поры функционируют как некоторое молекулярное сито, пропуская частицы определенного размера пассивно, по градиенту концентрации (ионы, углеводы, нуклеотиды, АТФ, гормоны, белки до 60 кДа). Поры не являются постоянными образованиями. Число пор увеличивается в период наибольшей ядерной активности. Количество пор зависит от функционального состояния клетки. Чем выше синтетическая активность в клетке, тем больше их число. Подсчитано, что у низших позвоночных животных в эритробластах, где интенсивно образуется и накапливается гемоглобин, на 1 мкм2 ядерной оболочки приходится около 30 пор. В зрелых эритроцитах названных животных, сохраняющих ядра, на 1 мкг оболочки остается до пяти пор, т.е. в 6 раз меньше.
В области перового комплекса начинается так называемая плотная пластинка - белковый слой, подстилающий на всем протяжении внутреннюю мембрану ядерной оболочки. Эта структура выполняет прежде всего опорную функцию, так как при ее наличии форма ядра сохраняется даже в случае разрушения обеих мембран ядерной оболочки. Предполагают также, что закономерная связь с веществом плотной пластинки способствует упорядоченному расположению хромосом в интерфазном ядре.
Ядерный сок (кариоплазма или матрикс) – внутреннее содержимое ядра, представляет собой раствор белков, нуклеотидов, ионов, более вязкий, чем гиалоплазма. В нем присутствуют также фибриллярные белки. В кариоплазме находятся ядрышки и хроматин. Ядерный сок образует внутреннюю среду ядра, в связи с чем он играет важную роль в обеспечении нормального функционирования генетического материала. В составе ядерного сока присутствуют нитчатые, или фибриллярные, белки, с которыми связано выполнение опорной функции: в матриксе находятся также первичные продукты транскрипции генетической информации - гетероядерные РНК (гяРНК), которые здесь же подвергаются процессингу, превращаясь в мРНК.
Ядрышко – обязательный компонент ядра, обнаруживаются в интерфазных ядрах и представляют собой мелкие тельца, шаровидной формы. Ядрышки имеют большую плотность, чем ядро. В ядрышках происходит синтез рРНК, других видов РНК и образование субъединиц рибосом . Возникновение ядрышек связано с определенными зонами хромосом, называемыми ядрышковыми организаторами. Число ядрышек определяется числом ядрышковых организаторов. В них содержатся гены рРНК. Гены рРНК занимают определенные участки (в зависимости от вида животного) одной или нескольких хромосом (у человека 13-15 и 21-22 пары) - ядрышковые организаторы , в области которых и образуются ядрышки. Такие участки в метафазных хромосомах выглядят как сужения и называются вторичными перетяжками . С помощью электронного микроскопа в ядрышке выявляют нитчатый и зернистый компоненты. Нитчатый (фибриллярный) компонент представлен комплексами белка и гигантских молекул РНК-предшественниц, из которых затем образуются более мелкие молекулы зрелых рРНК. В процессе созревания фибриллы преобразуются в рибонуклеопротеиновые зерна (гранулы), которыми представлен зернистый компонент.
Хроматиновые структуры в виде глыбок, рассеянных в нуклеоплазме, являются интерфазной формой существования хромосом клетки.
Рибосома - это округлая рибонуклеопротеиновая частица диаметром 20-30 нм. Рибосомы относят к немембранным органеллам клетки. На рибосомах осуществляется соединение аминокислотных остатков в полипептидные цепочки (синтез белка). Рибосомы очень малы и многочисленны.
Она состоит из малой и большой субъединиц, объединение которых происходит в присутствии матричной (информационной) РНК (мРНК). В малую субъединицу входят молекулы белка и одна молекула рибосомальной РНК (рРНК), во вторую – белки и три молекулы рРНК. Белок и рРНК по массе в равных количествах участвуют в образовании рибосом. рРНК синтезируется в ядрышке.
Одна молекула мРНК обычно объединяет несколько рибосом наподобие нитки бус. Такую структуру называют полисомой. Полисомы свободно располагаются в основном веществе цитоплазмы или прикреплены к мембранам шероховатой цитоплазматической сети. В обоих случаях они служат местом активного синтеза белка. Сравнение соотношения количества свободных и прикрепленных к мембранам полисом в эмбриональных недифференцированных и опухолевых клетках, с одной стороны, и в специализированных клетках взрослого организма - с другой, привело к заключению, что на полисомах гиалоплазмы образуются белки для собственных нужд (для «домашнего» пользования) данной клетки, тогда как на полисомах гранулярной сети синтезируются белки, выводимые из клетки и используемые на нужды организма (например, пищеварительные ферменты, белки грудного молока). Рибосомы могут свободно находиться в цитоплазме или быть связанными с эндоплазматической сетью, входя в состав шероховатой ЭПС Белки, образовавшиеся на рибосомах, соединенных с мембраной ЭПС, обычно поступают в цистерны ЭПС. Белки, синтезируемые на свободных рибосомах, остаются в гиалоплазме. Например, на свободных рибосомах синтезируется гемоглобин в эритроцитах. В митохондриях, пластидах и клетках прокариот также присутствуют рибосомы.
Предыдущая11121314151617181920212223242526Следующая
ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:
Структура ядра и его химический состав
В состав ядра входит хроматин, ядрышко, кариоплазма (нуклеоплазма), ядерная оболочка.
В клетке, которая делится, в большинстве случаев имеется одно ядро, но встречаются клетки, которые имеют два ядра (20% клеток печени двуядерные), а также многоядерные (остеокласты костной ткани).
ЁРазмеры — колеблятся от 3-4 до 40 мкм.
Каждый тип клетки характеризуется постоянным соотношением объема ядра к объему цитоплазмы. Такое соотношение носит название индекса Гертвинга. В зависимости от значения этого индекса клетки делятся на две группы:
1. ядерные — индекс Гертвинга имеет большее значение;
2. цитоплазматические — индекс Гертвинга имеет незначительные значения.
ЁФорма — может быть сферической, палочковидной, бобовидной, кольцевидной, сегментированной.
ЁЛокализация — ядро всегда локализуется в определенном месте клетки. Например, в цилиндрических клетках желудка оно находится в базальном положении.
Ядро в клетке может находится в двух состояниях:
а) митотическом (во время деления);
б) интерфазном (между делениями).
В живой клетке интерфазное ядро имеет вид оптически пустого, обнаруживается только ядрышко. Структуры ядра в виде нитей, зерен можно наблюдать только при действии на клетку повреждающих факторов, когда она переходит в состояние паранекроза (пограничное состояние между жизнью и смертью). С этого состояния клетка может вернуться к нормальной жизни или погибнуть. После гибели клетки морфологически, в ядре различают следующие изменения:
1) кариопикноз — уплотнение ядра;
2) кариорексис — разложение ядра;
3) кариолизис — растворение ядра.
Функции: 1) хранение и передача генетической информации,
2) биосинтез белка, 3) образование субъединиц рибосом.
Хроматин
Хроматин (от греч. сhroma — цвет краска) — это основная структура интерфазного ядра, которая очень хорошо красится основными красителями и обуславливает для каждого типа клеток хроматиновый рисунок ядра.
Благодаря способности хорошо окрашиваться различными красителями и особенно основными этот компонент ядра и получил название «хроматин» (Флемминг 1880).
Хроматин является структурным аналогом хромосом и в интерфазном ядре представляет собой несущие ДНК тельца.
Морфологически различают два вида хроматина:
1) гетерохроматин;
2) эухроматин.
Гетерохроматин (heterochromatinum) соответствует частично конденсированным в интерфазе участкам хромосом и является функционально неактивным. Этот хроматин очень хорошо окрашивается и именно его можна видеть на гистологических препаратах.
Гетерохроматин в свою очередь делится на:
1) структурный; 2) факультативный.
Структурный гетерохроматин представляет участки хромосом, которые постоянно находятся в конденсированном состоянии.
Факультативный гетерохроматин — это гетерохроматин, способный деконденсироваться и превращатся в эухроматин.
Эухроматин — это деконденсированные в интерфазе участки хромосом. Это рабочий, функционально активный хроматин. Этот хроматин не окрашивается и не обнаруживается на гистологических препаратах.
Во время митоза весь эухроматин максимально конденсируется и входит в состав хромосом. В этот период хромосомы не выполняют никаких синтетических функций. В связи с этим хромосомы клеток могут находится в двух структурно-функциональных состояниях:
1) активном (рабочем), иногда они частично или полностью деконденсированы и с их участием в ядре происходят процессы транскрипции и редупликации;
2) неактивном (нерабочем, метаболического покоя), когда они максимально конденсированы выполняют функцию распределения и переноса генетического материала в дочерние клетки.
Иногда в отдельных случаях целая хромосома в период интерфазы может оставаться в конденсированном состоянии, при этом она имеет вид гладкого гетерохроматина. Например, одна из Х-хромосом соматических клеток женского организма подлежит гетерохроматизации на начальных стадиях эмбриогенеза (во время дробления) и не функционирует. Этот хроматин называется половых хроматином или тельцами Барра.
В разных клетках половой хроматин имеет различный вид:
а) в нейтрофильных лейкоцитах — вид барабанной палочки;
б) в эпителиальных клетках слизистой — вид полусферической глыбки.
Определение полового хроматина используется для установления генетического пола, а также для определения количества Х-хромосом в кариотипе индивидума (оно равняется количеству телец полового хроматина+1).
При электронно-микроскопических исследованиях установлено, что препараты выделенного интерфазного хроматина содержат элементарные хромосомные фибриллы толщиной 20-25 нм, которые состоят из фибрилл толщиной 10 нм.
В химическом отношении фибриллы хроматина представляют собой сложные комплексы дезоксирибонуклеопротеидов, в состав которых входят:
б) специальные хромосомные белки;
Количественное соотношение ДНК, белка и РНК составляет 1:1,3:0,2. На долю ДНК в препарате хроматина приходится 30-40%. Длина индивидуальных линейных молекул ДНК колеблется в непрямых пределах и может достигать сотен микрометров и даже сантиметров. Суммарная длина молекул ДНК во всех хромосомах одной клетки человека составляет около 170 см, что соответствует 6х10-12г.
Белки хроматина составляют 60-70% от его сухой массы и представлены двумя группами:
а) гистоновыми белками;
б) негистоновыми белками.
ЁГистоновые белки (гистоны ) — щелочные белки, содержащие основные аминокислоты (главным образом лизин, аргинин) располагаются неравномерно в виде блоков по длине молекулы ДНК. Один блок содержит 8 молекул гистонов, которые образуют нуклеосому. Размер нуклеосомы около 10 нм. Нуклеосома образуется путем компактизации и сверхспирализации ДНК, что приводит к укорачиванию длины хромосомной фибриллы примерно в 5 раз.
ЁНегистоновые белки составляют 20% от количества гистонов и в интерфазных ядрах образуют внутри ядра структурную сеть, которая носит название ядерного белкового матрикса. Этот матрикс представляет основу, которая определяет морфологию и метаболизм ядра.
Перихроматиновые фибриллы имеют толщину 3-5 нм, гранулы имеют диаметр 45нм и интерхроматиновые гранулы имеют диаметр 21-25 нм.
Ядрышко
Ядрышко (nucleolus) — самая плотная структура ядра, которая хорошо видна в живой неокрашенной клетке и является производным хромосомы, одним из ее локусов с наиболее высокой концентрацией и активным синтезом РНК в интерфазе, но не является самостоятельной структурой или органеллой.
ЁРазмер — 1-5 мкм.
ЁФорма — сферическая.
Ядрышко имеет неоднородную структуру. В световом микроскопе видна его тонковолокнистая организация.
Электронная микроскопия позволяет обнаружить два основных компонента:
а) гранулярный; б) фибриллярный.
Гранулярный компонент представлен гранулами с диаметром 15-20 нм, это созревающие субъединицы рибосом. Иногда гранулярный компонент образует нитчатые структуры — нуклеолонемы, толщиной около 0,2 мкм. Локализуется гранулярный компонент по периферии.
Фибриллярный компонент представляет собой рибонуклеопротеидные тяжи предшественников рибосом, которые сосредоточены в центральной части ядрышка.
Ультраструктура ядрышек зависит от активности синтеза РНК: при высоком уровне синтеза в ядрышке выявляется большое число гранул, при прекращении синтеза количество гранул снижается и ядрышки превращаются в плотные фибриллярные тяжи базофильной природы.
Ядерная оболочка
Ядерная оболочка (nuclolemma) состоит из:
Физика атомного ядра. Состав ядра.
Внешней ядерной мембраны (m. nuclearis externa),
2.Внутренней мембраны (m. nuclearis interna), которые разделены перинуклеарным пространством или цистерной ядерной оболочки (cisterna nucleolemmae), шириной 20-60 нм.
Каждая мембрана имеет толщину 7-8нм. В общем виде ядерная оболочка напоминает полый двухслойный мешок, который отделяет содержимое ядра от цитоплазмы.
Наружная мембрана ядерной оболочки , которая непосредственно контактирует с цитоплазмой клетки, имеет целый ряд структурных особенностей, которые позволяют отнести ее к собственно мембранной системе эндоплазматической сети. К таким особенностям относится: наличие на ней со стороны гиалоплазмы многочисленных полирибосом, а сама внешняя ядерная мембрана может прямо переходить в мембраны гранулярной эндоплазматической сети. Поверхность наружной ядерной мембраны в большинстве животных и растительных клеток не является гладкой и образует различных размеров выросты в сторону цитоплазмы в виде пузырьков или длинных трубчатых образований.
Внутренняя ядерная мембрана связана с хромосомным материалом ядра. Со стороны кариоплазмы к внутренней ядерной мембране прилегает так называемый фибриллярный слой, состоящий из фибрилл, но он характерен не для всех клеток.
Ядерная оболочка не является сплошной. Наиболее характерными структурами ядерной оболочки являются ядерные поры. Ядерные поры образуются в результате слияния двух ядерных мембран. При этом формируются округлые сквозные отверстия (перфорации, annulus pori), которые имеют диаметр около 80-90 нм. Эти отверстия ядерной оболочки заполнены сложноорганизованными глобуллярными и фибриллярными структурами. Совокупность мембранных перфораций и этих структур получило название комплекса поры (complexus pori). Комплекс поры состоит из трех рядов гранул по восемь штук в каждом ряду, диаметр гранул 25 нм, от этих гранул отходят фибриллярные отростки. Гранулы располагаются на границе отверстия в ядерной оболочке: один ряд лежит со стороны ядра, второй — со стороны цитоплазмы, третий в центральной части поры. Фибриллы, отходящие от периферических гранул, могут сходиться в центре и создавать, как бы перегородку, диафрагму поперек поры (diaphragma pori). Размеры пор у данной клетки обычно стабильны. Количество ядерных пор зависит от метаболической активности клеток: чем интенсивнее синтетические процессы в клетке, тем больше пор на единицу поверхности клеточного ядра.
ЁФункции:
1. Барьерная — отделяет содержимое ядра от цитоплазмы, ограничивает свободный транспорт макромолекул между ядром и цитоплазмой.
2. Создание внутриядерного порядка — фиксация хромосомного материала в трехмерном просвете ядра.
Кариоплазма
Кариоплазма — это жидкая часть ядра, в которой располагаются ядерные структуры, она является аналогом гиалоплазмы в цитоплазматической части клетки.
Репродукция клеток
Одним из наиболее важных биологических явлений, которое отражает общие закономерности и есть неотъемлемым условием существовния биологических систем в течение достаточно длительного периода времени является репродукция (воспроизведение) их клеточного состава. Размножение клеток, согласно клеточной теории, осуществляется путем деления исходной. Это положение является одним из основных в клеточной теории.
Ядро (nucleus) клетки
ФУНКЦИИ ЯДРА
Хроматин –
Хромосомы
которых входят:
– гистоновые белки
– небольшие количества РНК;
Ядерный матрикс
Состоит из 3 компонентов:
стилающий ядерную оболочку.
Что такое ядро - это в биологии: свойства и функции
Внутриядерная сеть (остов).
3. «Остаточное» ядрышко.
Она состоит из:
– наружной ядерной мембраны;
Нуклеоплазма (кариоплазма) – жидкий компонент ядра, в ко-тором располагаются хроматин и ядрышки. Содержит воду и ряд
Ядрышко
Дата публикования: 2015-02-03; Прочитано: 1053 | Нарушение авторского права страницы
Ядро (nucleus) клетки - система генетической детерминации и регуляции белкового синтеза.
ФУНКЦИИ ЯДРА
● хранение и поддержание наследственной информации
● реализация наследственной информации
Ядро состоит из хроматина, ядрышка, кариоплазмы (нуклеоплазмы) и ядерной оболочки, отделяющей его от цитоплазмы.
Хроматин – это зоны плотного вещества в ядре, которое хо-
рошо воспринимает разные красители, особенно основные.
В неделящихся клетках хроматин обнаруживается в виде глыбок и гранул, что является интерфазной формой существования хромосом.
Хромосомы – фибриллы хроматина, представляющие собой сложные комплексы дезоксирибонуклеопротеидов (ДНП), в состав
которых входят:
– гистоновые белки
– негистоновые белки – составляют 20%, это ферменты, выполняют структурную и регуляторную функции;
– небольшие количества РНК;
– небольшие количества липидов, полисахаридов, ионов металла.
Ядерный матрикс – является каркасной внутриядерной систе-
мой, объединяющей основой для хроматина, ядрышка, ядерной оболочки. Эта структурная сеть представляет собой основу, определяющую морфологию и метаболизм ядра.
Состоит из 3 компонентов:
1. Ламина (A, B, C) – периферический фибриллярный слой, под-
стилающий ядерную оболочку.
2. Внутриядерная сеть (остов).
3. «Остаточное» ядрышко.
Ядерная оболочка (кариолемма) – это оболочка, отделяющая содержимое ядра от цитоплазмы клетки.
Она состоит из:
– наружной ядерной мембраны;
– внутренней ядерной мембраны, между которыми находится перинуклеарное пространство;
– двумембранная ядерная оболочка имеет поровый комплекс.
Нуклеоплазма (кариоплазма) – жидкий компонент ядра, в ко-тором располагаются хроматин и ядрышки.
Ядро. Компоненты ядра
Содержит воду и ряд
растворенных и взвешенных в ней веществ: РНК, гликопротеинов,
ионов, ферментов, метаболитов.
Ядрышко – самая плотная структура ядра, образовано специа-лизированными участками – петлями хромосом, которые называются ядрышковыми организаторами.
Выделяют 3 компонента ядрышка:
1. Фибриллярный компонент представляет собой первичные транскрипты р-РНК.
2. Гранулярный компонент представляет собой скопление пред-
шественников субъединиц рибосом.
3. Аморфный компонент – участки ядрышкового организатора,
Дата публикования: 2015-02-03; Прочитано: 1052 | Нарушение авторского права страницы
studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.001 с)…
Ядро как основной регуляторный компонент клетки. Его строение и функции.
Ядро — обязательная часть клеток эукариот. Это основной регуляторный компонент клет-ки. Оно отвечает за хранение и передачу наследственной информации, управляет всеми обменными процессами в клетке. Не органоид, а компонент клетки.
Ядро состоит из:
1) ядерную оболочку (ядерную мембрану), через поры которой осуществляется обмен между ядром клетки и цитоплазмой.
2) ядерный сок, или кариоплазму,- полужидкую, слабо окрашиваемую плазматическую массу, заполняющую все ядра клетки и содержащую в себе остальные компоненты ядра;
3) хромосомы, которые в неделящемся ядре видны только с помощью специальных методов микроскопии. Совокупность хромосом клетки называется кариотипом. Хроматин на окрашенных препаратах клетки представляет собой сеть тонких тяжей (фибрилл), мелких гранул или глыбок.
4) одно или несколько сферических телец - ядрышек, являющихся специализированной частью ядра клетки и связанных с синтезом рибонуклеиновой кислоты и белков.
два состояния ядра:
1. интерфазное ядро — имеет ядер. оболочку- кариолемму.
2. ядро при делений клетки. присутствует только хроматин в разном состоянии.
ядрышки включают две зоны:
1. внутренняя- фибриллярная- молекул белка и пре РНК
2. наружняя- гранулярная- формируют субъединицы рибосом.
Оболочка ядра состоит из двух мембран, разделенных перинуклеарным пространством. Обе они пронизаны многочисленными порами, благодаря которым возможен обмен веществами между ядром и цитоплазмой.
Основные компоненты ядра — хромосомы, образованные из молекулы ДНК и различных белков. В световом микроскопе они хорошо различимы лишь в период клеточного деления (митоза, мейоза). В неделящейся клетке хромосомы имеют вид длинных тонких нитей, распределенных по всему объему ядра.
Главные функции клеточного ядра следующие:
- хранение информации;
- передача информации в цитоплазму с помощью транскрипции, т. е. синтеза переносящей информацию и-РНК;
- передача информации дочерним клеткам при репликации — делении клеток и ядер.
- регулирует биохимические, физиологические и морфологические процессы в клетке.
В ядре происходит репликация - удвоение молекул ДНК, а также транскрипция - синтез молекул РНК на матрице ДНК. В ядре же синтезированные молекулы РНК претерпевают некоторые модификации (например, в процессе сплайсинга из молекул матричной РНК исключаются незначащие, бессмысленные участки), после чего выходят в цитоплазму. Сборка рибосом также происходит в ядре, в специальных образованиях, называемых ядрышками. Компартмент для ядра - кариотека - образован за счёт расширения и слияния друг с другом цистерн эндоплазматической сети таким образом, что у ядра образовались двойные стенки за счёт окружающих его узких компартментов ядерной оболочки. Полость ядерной оболочки называется — люменом или перинуклеарным пространством . Внутренняя поверхность ядерной оболочки подстилается ядерной ламиной — жесткой белковой структурой, образованной белками-ламинами, к которой прикреплены нити хромосомной ДНК. В некоторых местах внутренняя и внешняя мембраны ядерной оболочки сливаются и образуют так называемые ядерные поры, через которые происходит материальный обмен между ядром и цитоплазмой.
12. Двумембранные органоиды (митохондрии, пластиды). Их строение и функции.
Митохондрии - это структуры округлой или палочковидной, нередко ветвящейся формы толщиной 0,5 мкм и длиной обычно до 5-10 мкм.
Оболочка митохондрий состоит из двух мембран, различающихся по химическому составу, набору ферментов и функциям. Внутренняя мембрана
образует впячивания листовидной (кристы) или трубчатой (тубулы) формы. Пространство, ограниченное внутренней мембраной, составляет матрикс
органеллы
. В нем с помощью электронного микроскопа обнаруживаются зерна диаметром 20-40 нм. Они накапливают ионы кальция и магния, а также полисахариды, например гликоген.
В матриксе размещен собственный аппарат биосинтеза белка органеллы. Он представлен 2-6 копиями кольцевой и лишенной гистонов (как у прокариот) молекулы ДНК, рибосомами, набором транспортных РНК (тРНК), ферментами редупликации ДНК, транскрипции и трансляции наследственной информации. Главная функция
митохондрий состоит в ферментативном извлечении из определенных химических веществ энергии (путем их окисления) и накоплении энергии в биологически используемой форме (путем синтеза молекул аденозинтрифосфата -АТФ). В целом этот процесс называется окислительным фосфорилированием
.
Среди побочных функций митохондрий можно назвать участие в синтезе стероидных гормонов и некоторых аминокислот (глутаминовая).
Пластиды – это полуавтономные (могут существовать относительно автономно от ядерной ДНК клетки) двумембранные органоиды, характерные для фотосинтезирующих эукариотных организмов. Различают три основных типа пластид: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты. Совокупность пластид в клетке называют пластидомом . Каждый их этих типов при определенных условиях может переходить один в другой. Как и митохондрии, пластиды содержат собственные молекулы ДНК. Поэтому они также способны размножаться независимо от деления клетки. Пластиды характерны только для растительных клеток.
Хлоропласты. Длина хлоропластов колеблется в пределах от 5 до 10 мкм, диаметр - от 2 до 4 мкм. Хлоропласты ограничены двумя мембранами. Наружная мембрана гладкая, внутренняя имеет сложную складчатую структуру. Наименьшая складка называется тилакоидом . Группа тилакоидов, уложенных наподобие стопки монет, называется граной . Граны связываются друг с другом уплощенными каналами - ламеллами. В мембраны тилакоидов встроены фотосинтетические пигменты и ферменты, обеспечивающие синтез АТФ. Главным фотосинтетическим пигментом является хлорофилл, который и обусловливает зеленый цвет хлоропластов.
Внутреннее пространство хлоропластов заполнено стромой . В строме имеются кольцевая «голая» ДНК, рибосомы, ферменты цикла Кальвина, зерна крахмала. Внутри каждого тилакоида находится протонный резервуар, происходит накопление Н+. Хлоропласты, также как митохондрии, способны к автономному размножению путем деления надвое. Хлоропласты низших растений называют хроматофорами.
Лейкопласты . Наружная мембрана гладкая, внутренняя образует малочисленные тилакоиды. В строме имеются кольцевая «голая» ДНК, рибосомы, ферменты синтеза и гидролиза запасных питательных веществ. Пигменты отсутствуют. Особенно много лейкопластов имеют клетки подземных органов растения (корни, клубни, корневища и др.). Амилопласты -синтезируют и накапливают крахмал, элайопласты - масла, протеинопласты - белки. В одном и том же лейкопласте могут накапливаться разные вещества.
Хромопласты. Наружная мембрана гладкая, внутренняя или также гладкая, или образует единичные тилакоиды. В строме имеются кольцевая ДНК и пигменты - каротиноиды , придающие хромопластам желтую, красную или оранжевую окраску. Форма накопления пигментов различная: в виде кристаллов, растворены в липидных каплях и др. Хромопласты считаются конечной стадией развития пластид.
Пластиды могут взаимно превращаться друг в друга: лейкопласты — хлоропласты — хромопласты.
Одномембранные органоиды (ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы). Их строение и функции.
Канальцевая и вакуолярная системы образованы сообщающимися или отдельными трубчатыми или уплощенными (цистерна) полостями, ограниченными мембранами и распространяющимися по всей цитоплазме клетки. В названной системе выделяют шероховатую и гладкую цитоплазматическую сети . Особенность строения шероховатой сети состоит в прикреплении к ее мембранам полисом. В силу этого она выполняет функцию синтеза определенной категории белков, преимущественно удаляемых из клетки, например секретируемых клетками желез. В области шероховатой сети происходит образование белков и липидов цитоплазматических мембран, а также их сборка. Плотно упакованные в слоистую структуру цистерны шероховатой сети являются участками наиболее активного белкового синтеза и называются эргастоплазмой.
Мембраны гладкой цитоплазматической сети лишены полисом. Функционально эта сеть связана с обменом углеводов, жиров и других веществ небелковой природы, например стероидных гормонов (в половых железах, корковом слое надпочечников). По канальцам и цистернам происходит перемещение веществ, в частности секретируемого железистой клеткой материала, от места синтеза в зону упаковки в гранулы. В участках печеночных клеток, богатых структурами гладкой сети, разрушаются и обезвреживаются вредные токсические вещества, некоторые лекарства (барбитураты). В пузырьках и канальцах гладкой сети поперечно-полосатой мускулатуры сохраняются (депонируются) ионы кальция, играющие важную роль в процессе сокращения.
Комплекс Гольджи -представляет собой стопку плоских мембранных мешочков, которые называются цистернами . Цистерны полностью изолированы друг от друга и не соединяются между собой. По краям от цистерн ответвляются многочисленные трубочки и пузырьки. От ЭПС время от времени отшнуровываются вакуоли (пузырьки) с синтезированными веществами, которые перемещаются к комплексу Гольджи и соединяются с ним. Вещества, синтезированные в ЭПС, усложняются и накапливаются в комплексе Гольджи. Функции комплекса Гольджи :1- В цистернах комплекса Гольджи происходит дальнейшее химическое преобразование и усложнение веществ, поступивших в него из ЭПС. Например, формируются вещества, необходимые для обновления мембраны клетки (гликопротеиды, гликолипиды),полисахариды.
2- В комплексе Гольджи происходит накопление веществ и их временное «хранение»
3- Образованные вещества «упаковываются» в пузырьки (в вакуоли) и в таком виде перемещаются по клетке.
4- В комплексе Гольджи образуются лизосомы (сферические органоиды с расщепляющими ферментами).
Лизосомы — мелкие сферические органоиды, стенки которых образованы одинарной мембраной; содержат литические (расщепляющие) ферменты. Сначала лизосомы, отшнуровавшиеся от комплекса Гольджи, содержат неактивные ферменты. При определенных условиях их ферменты активизируются. При слиянии лизосомы с фагоцитозной или пиноцитозной вакуолью образуется пищеварительная вакуоль, в которой происходит внутриклеточное переваривание различных веществ.
Функции лизосом :1- Осуществляют расщепление веществ, поглощенных в результате фагоцитоза и пиноцитоза. Биополимеры расщепляются до мономеров, которые поступают в клетку и используются на ее нужды.
Ядро и его структурные компоненты
Например, они могут быть использованы для синтеза новых органических веществ или могут подвергаться дальнейшему расщеплению для получения энергии.
2- Разрушают старые, поврежденные, избыточные органоиды. Ращепление органоидов может происходить и во время голодания клетки.
Вакуоли — сферические одномембранные органоиды, представляющие собой резервуары воды и растворенных в ней веществ. К вакуолям относятся: фагоцитозные и пиноцитозные вакуоли , пищеварительные вакуоли, пузырьки, отшнуровывающиеся от ЭПС и комплекса Гольджи. Вакуоли животной клетки — мелкие, многочисленные, но их объем не превышает 5% от всего объема клетки. Их основная функция — транспорт веществ по клетке, осуществление взаимосвязи между органоидами.
В клетке растений на долю вакуолей приходится до 90% объема.
В зрелой растительной клетки вакуоль одна, занимает центральное положение. Мембрана вакуоли растительной клетки — тонопласт, ее содержимое — клеточный сок. Функции вакуолей в растительной клетке: поддержание клеточной оболочки в напряжении, накопление различных веществ, в том числе отходов жизнедеятельности клетки. Вакуоли поставляют воду для процессов фотосинтеза. Могут входить:
— запасные вещества, которые могут использоваться самой клеткой (органические кислоты, аминокислоты, сахара, белки). — вещества, которые выводятся из обмена веществ клетки и накапливаются в вакуоли (фенолы, дубильные вещества, алкалоиды и др.) — фитогормоны, фитонциды,
— пигменты (красящие вещества), которые придают клеточному соку пурпурный, красный, синий, фиолетовый цвет, а иногда желтый или кремовый. Именно пигменты клеточного сока окрашивают лепестки цветков, плоды, корнеплоды
14.Немембранные органоиды (микротрубочки, клеточный центр, рибосомы). Их строение и функции. Рибосома — немембранный органоид клетки, осуществляющий биосинтез белка. Состоит из двух субъединиц — малой и большой. Рибосома состоит из 3-4 молекул р-РНК, образующих ее каркас, и нескольких десятков молекул различных белков. Рибосомы синтезируются в ядрышке. В клетке рибосомы могут располагаться на поверхности гранулярной ЭПС или в гиалоплазме клетки в виде полисом. Полисома — это комплекс и-РНК и нескольких рибосом, считывающих с нее информацию. Функция рибосом — биосинтез белка. Если рибосомы располагаются на ЭПС, то синтезируемые ими белки используются на нужды всего организма, рибосомы гиалоплазмы синтезируют белки на нужды самой клетки. Рибосомы прокариотических клеток мельче, чем рибосомы эукариот. Такие же мелкие рибосомы находятся в митохондриях и пластидах.
Микротрубочки — полые цилиндрические структуры клетки, состоящие из несократимогобелка тубулина. Микротрубочки не способны к сокращению. Стенки микротрубочки образованы 13 нитями белка тубулина. Микротрубочки располагаются в толще гиалоплазмы клеток.
Реснички и жгутики — органоиды движения. Главная функция — передвижение клеток или перемещение вдоль клеток окружающей их жидкости или частиц. В многоклеточном организме реснички характерны для эпителия дыхательных путей, маточных труб, а жгутики — для сперматозоидов. Реснички и жгутики отличаются только размерами — жгутики более длинные. В их основе — микротрубочки, расположенные по системе 9(2) + 2. Это значит, что 9 двойных микротрубочек (дуплетов) образуют стенку цилиндра, в центре которого располагаются 2 одиночные микротрубочки. Опорой ресничек и жгутиков являются базальные тельца. Базальное тельце имееет цилиндрическую форму, образовано 9 тройками (триплетами) микротрубочек, в центре базального тельца микротрубочек нет.
Кле точный центр — митотический центр, постоянная структура почти всех животных и некоторых растительных клеток, определяет полюса делящейся клетки (см. Митоз). Клеточный центр обычно состоит из двух центриолей - плотных гранул размером 0,2-0,8 мкм, расположенных под прямым углом друг к другу. При образовании митотического аппарата центриоли расходятся к полюсам клетки, определяя ориентировку веретена деления клетки. Поэтому правильнее К. ц. называть митотическим центром , отражая этим его функциональное значение, тем более что лишь в некоторых клетках К. ц. расположен в ее центре. В ходе развития организма изменяются как положение К. ц. в клетках, так и форма его. При делении клетки каждая из дочерних клеток получает пару центриолей. Процесс их удвоения происходит чаще в конце предыдущего клеточного деления. Возникновение ряда патологических форм деления клетки связано с ненормальным делением К. ц.
СОСТАВ ЯДРА АТОМА. ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ
1. Состав атомного ядра. Вскоре после открытия нейтрона (1932 г.) советский физик Д. Д. Иваненко и несколько позднее немецкий физик В. Гейзенберг высказали предположение, согласно которому атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов. Число протонов Z , входящих в состав ядра, определяет его заряд, который равен +Ze . Число Z называется атомным номером (оно определяет порядковый номер химического элемента в Периодической таблице Менделеева) или зарядовым числом ядра.
Число нуклонов А (т. е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре называется массовым числом ядра. Число нейтронов в ядре равно N = A -Z .
Для обозначения ядер применяется символ
где под X подразумевается химический символ элемента. Вверху ставится его массовое число, внизу - атомный номер.
2. Изотопы. С 1906 г. известно, что не все атомы одного и того же химического элемента имеют одинаковую массу. Например, среди атомов хлора встречаются атомы с массой, близкой к 35, и массой, близкой к 37. Среди атомов урана встречаются атомы с массой 234, 235, 238 и 239. Есть различия по массе и у атомов других веществ.
Все изотопы одного и того же элемента имеют очень близкие химические свойства, что свидетельствует об одинаковом строении их электронных оболочек, а следовательно, и об одинаковых зарядах ядер и о равном числе протонов в ядрах. Отсюда происходит и их название - от греческого слова "изос" - одинаковый и "топос" - место: одинаковое место в Периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева.
Отличие в массе у изотопов вызвано различным числом в них нейтронов. Таким образом, изотопами называют разновидности данного химического элемента, различающиеся по массе их ядер.
Закон радиоактивного распада установлен Ф. Содди. Опытным путем Э. Резерфорд установил, что активность радиоактивного распада убывает с течением времени. Для каждого радиоактивного вещества существует интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза, т.е. период полураспада Т данного вещества. Пусть число радиоактивных атомов N , время t =0. Через t 1 =Т число нераспавшихся ядер N 1 = N 0 /2, через t 2 =2Т останется
По истечении времени t=nT , т.е. спустя n периодов полураспада T , радиоактивных атомов останется:
Поскольку n=t/T ,
Это и есть основной закон радиоактивного распада.
4. Ядерные силы. Простые факты свидетельствуют о прочности атомных ядер: окружающие нас предметы существуют длительное время, не распадаясь на частицы. Но как эти факты объяснить? Ведь в состав атомных ядер входят протоны, и электростатические силы отталкивания должны были бы их "растолкнуть". Отсюда следует вывод, что внутри ядер между нуклонами действуют какие-то силы, превосходящие силы электростатического отталкивания. Эти силы получили название ядерных сил. Ядерные силы действуют между любыми нуклонами (между протонами, между нейтронами и между протонами и нейтронами). Характерной особенностью ядерных сил является их короткодействие: на расстояниях 10 -15 м они примерно в 100 раз больше сил электростатического взаимодействия, но уже на расстояниях 10 -14 м они оказываются ничтожно малыми.
5. Энергия связи. Для удаления из ядра протона или нейтрона необходимо совершить работу по преодолению короткодействующих ядерных сил. В результате энергия системы "оставшееся ядро - удаленный нуклон" увеличивается на ∆E , равную работе внешних сил.
Энергию, необходимую для полного разделения ядра на отдельные протоны и нейтроны, называют энергией связи ядра.
Согласно закону взаимосвязи массы и энергии, при этом увеличивается и масса частиц на
Следовательно, масса ядра всегда меньше сумм масс составляющих его частиц, взятых в отдельности. В ядерной физике массу частиц выражают в атомных единицах массы. Атомная единица массы равна 1/12 массы атома изотопа углерода-12.
1 а.е.м. = 1,6605655·10 -27 кг
В таблице приведены массы некоторых стабильных ядер и элементарных частиц.
Таблица
| Символ ядра | Масса, а. е. м. | Символ ядра | Масса, а. е. м. |
| 1,008665 | 14,003242 | ||
| 1,007825 | 16,999134 | ||
| 4,002603 | 235,043933 |
Правило смещения. Превращения ядер подчиняются так называемому правилу смещения,и сформулированному впервые Содди: при a-распаде ядро теряет положительный заряд 2е и масса его убывает приблизительно на четыре атомных единицы массы. В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы . Символически это можно записать так:
Здесь элемент обозначается, как и в химии, общепринятыми символами: заряд ядра записывается в виде индекса слева внизу символа, а атомная масса - в виде индекса слева вверху символа. Например, водород обозначается символом . Для a - частицы, являющейся ядром атома гелия, применяется обозначение и т. д. При β - распаде из ядра вылетает электрон. В результате заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной:
Здесь обозначает электрон: индекс "0" вверху означает, что масса его очень мала по сравнению с атомной единицей массы. После β - распада элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы . Гамма-излучение не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало.
Правила смещения показывают, что при радиоактивном распаде сохраняется электрический заряд и приближенно сохраняется относительная атомная масса ядер.
Возникшие при радиоактивном распаде новые ядра в свою очередь обычно также радиоактивны.
Пример. Пользуясь данными этой таблицы, подсчитаем энергию связи ядра атома гелия:
Масса ядра гелия - 4,002603 а.е.м.
Масса отдельных нуклонов
Разность масс: ∆ m = (4,032980 - 4,002603) а.е.м. =0,030377 а.е.м., а энергия связи:
Так как: 1 а.е.м.= 1,660566*10 -27 кг, а с = 3*10 8 м/с, то ∆ E = 0,030377*1,660566*10 -27 кг * 9 10 16 м 2 /с 2 , или ∆E =0,030377 * 1,660566·9·10 -11 Дж.
В ядерной физике энергию принято выражать в электронвольтах. Так как 1 эВ=1,60219·10 -19 Дж, то
Нетрудно заметить, что дробь
не зависит от условия задачи. Поэтому в дальнейшем расчеты в атомных реакциях будем производить так:
∆E = ∆m а.е.м. 931 МэВ/а.е.м.
Таким образом, энергия связи ядра атома гелия:
Разделив полную энергию связи ядра атома на число нуклонов в нем, можно получить так называемую удельную энергию связи. Для ядра атома гелия удельная энергия связи равна МэВ на нуклон.
Ответ: удельная энергия связи для ядра атома гелия приблизительно равна 7МэВ на нуклон.
Состав и характеристики атомного ядра
Атом – наименьшая часть химического элемента, способная к самостоятельному существованию и являющаяся носителем его свойств. Атом представляет собой электрически нейтральную систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Диаметр атома порядка 10 -10 м, диаметр ядра – 10-15 – 10 -14 м. Ядро атома имеет сложное строение. В 1932 г. В.Гейзенберг и Д.Иваненко предложили нуклонную модель строения ядра, согласно которой ядро атома состоит из протонов и нейтронов.
Протон [от греч. protos – первый] (символ ) – стабильная элементарная частица, ядро атома водорода. Время жизни протона > 10 31 лет. Масса 1,6726∙10 -27 кг 938,3 МэВ. Электрический заряд протона положительный: 1,6∙10 -19 Кл. Спин протона равен ½, поэтому он подчиняется статистике Ферми-Дирака. Число протонов в ядре – зарядовое число, определяет общий заряд ядра и порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Заряд ядра определят число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля. Число электронов в нейтральном атоме равно числу протонов в ядре, а их общий отрицательный заряд равен .
| Характеристики протона, нейтрона, электрона | |||
| Характеристика | Протон | Нейтрон | Электрон |
| Масса, МэВ | 938.28 | 939.57 | 0.511 |
| Электрический заряд (в единицах заряда электрона) | +1 | -1 | |
| Внутренний момент количества движения (в единицах ћ) | 1/2 | 1/2 | 1/2 |
| Четность | +1 | +1 | +1 |
| Статистика | Ферми-Дирака | ||
| Магнитный момент (в единицах ядерного магнетона) | |||
| +2.79 | -1.91 | ||
| (в единицах магнетона Бора) | 1.001 | ||
| Время жизни | >10 25 лет | 887+ 2 с | >4.3·10 23 лет |
| Тип распада | pe - ν e |
Нейтрон
(символ n
) [от лат neuter
– ни тот, ни другой] – элементарная частица с нулевым электрическим зарядом, массой покоя 1,6749∙10 -27 кг (939,565 МэВ). Наряду с протоном под общим названием нуклон
входит в состав атомных ядер. Имеет спин ½, подчиняется статистике Ферми-Дирака (является фермионом). Открыт в 1932 г. Дж. Чедвиком. В свободном состоянии нейтрон нестабилен, самопроизвольно распадается, превращаясь в протон с испусканием электрона и антинейтрино: 
Время жизни нейтрона – 896 с.
Протон и нейтрон считаются двумя состояниями нуклона. Масса атома определяется в основном массой его ядра. Массовое число зависит от общего числа протонов и нейтронов в ядре: 
(ядро содержит протонов и нейтронов). Массу ядра атома выражают в атомных единицах массы. Атомная единица массы
(а.е.м.) – единица массы, равная 1/12 массы изотопа углерода ; применяется в атомной и ядерной физике для выражения масс элементарных частиц, атомов, молекул. 1 а.е.м. = 1,6605655 · 10 -27 кг.
Для обозначения ядер атомов принята символика
где – символ химического элемента, – зарядовое число, – массовое число.
Изотопами называют ядра, имеющие одинаковый заряд , но различные массовые числа (т.е. различаются числом нейтронов). Например,
Ядра с одинаковыми , но разными называются изобарами . Например,
Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов называются изотонами. Например,
Ядра с одинаковым числом протонов и нейтронов, но разными периодами полураспада называются изомерами. Например, существуют два вида ядер брома с периодами полураспада 4,4 часа и 18 мин.
В настоящее время известно более 2300 ядер, примерно 300 из них устойчивы, остальные нестабильны. В природе встречаются элементы с атомными номерами от 1 до 92 (кроме технеция и прометия ). Элементы с 93 получены искусственным путем, называются трансурановыми.
На рисунке показана N-Z диаграмма атомных ядер. Черными точками показаны стабильные ядра. Область расположения стабильных ядер обычно называют долиной стабильности. С левой стороны от стабильных ядер находятся ядра, перегруженные протонами (протоноизбыточные ядра), справа – ядра, перегруженные нейтронами (нейтроноизбыточные ядра). Протоноизбыточные ядра являются радиоактивными и превращаются в стабильные в основном в результате β + -распадов, протон, входящий в состав ядра при этом превращается в нейтрон. Нейтроноизбыточные ядра также являются радиоактивными и превращаются в стабильные в результате β - -распадов, с превращением нейтрона ядра в протон.
N-Z диаграмма атомных ядер
|
Самыми тяжелыми стабильными изотопами являются изотопы свинца (Z = 82) и висмута (Z = 83). Тяжелые ядра наряду с процессами β + и β - - распада подвержены также -распаду и спонтанному делению, которые становятcя их основными каналами распада. Пунктирная линия очерчивает область возможного существования атомных ядер. Линия B p = 0 (B p - энергия отделения протона) ограничивает область существования атомных ядер слева (proton drip-line). Линия B n = 0 (B n - энергия отделения нейтрона) - справа (neutron drip-line). Вне этих границ атомные ядра существовать не могут, так как они распадаются за характерное ядерное время (~ 10 -23 c) с испусканием одного или двух нуклонов.
Плотность ядерного вещества 10 17 кг/м 3 .
Спины нуклонов образуют результирующий спин ядра, суммируясь по квантовым законам сложения моментов. При нечетном числе нуклонов спин ядра будет полуцелым, при четном числе нуклонов – нулем или целым числом. Спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. Поэтому спины ядер не превышают нескольких единиц. У ядер с четным числом протонов и четным числом нейтронов (четно-четные ядра) спин равен нулю.
В 20 -х годах XX века сомнений насчет сложности строения открытых Резерфордом в 1911 году ядер атомов у физиков уже не оставалось. На данный факт указывало большое количество различных совершенных к тому времени время экспериментов, таких как:
- открытие явления радиоактивности,
- опытное доказательство ядерной модели атома,
- измерение отношения e m для электрона, α -частицы и для H -частицы, представляющей собой ядро атома водорода,
- открытие искусственной радиоактивности и ядерных реакций,
- измерение зарядов атомных ядер и многие другие.
Из каких же частиц состоят ядра атомов? В наше время является фактом то, что ядра атомов различных элементов состоят из двух видов частиц, то есть из нейтронов и протонов. Вторая из этих частиц является лишившийся единственного своего электрона атомом водорода. Такая частица была замечена уже в опытах Дж. Томсона 1907 года. Ученый смог измерить у нее отношение e m .
Определение 1
Э. Резерфордом в 1919 году были обнаружены в продуктах расщепления ядер атомов значительного числа элементов атомные ядра водорода. Физиком найденной частице было дано название протона . Он предположил, что в состав любого из ядер атомов входят протоны.
Схема опытов Резерфорда проиллюстрирована на рисунке 6 . 5 . 1 .
Рисунок 6 . 5 . 1 . Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер. К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α -частиц, Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М представляет собой микроскоп.
Прибор Резерфорда состоял из вакуумированной камеры с расположенным в ней контейнером К , в котором находился источник α -частиц. Металлическая фольга, на рисунке обозначенная как Ф , перекрывала окно камеры. Толщина фольги подбиралась таким образом, чтобы предотвратить проникание через нее α -частиц. За окном был расположен покрытый сернистым цинком экран, на изображении 6 . 5 . 1 отмеченный буквой Э. Применяя микроскоп М , можно было наблюдать световые вспышки или, как их еще называют, сцинтилляции в точках, в точках экрана, в которых происходило попадание тяжелых заряженных частиц.
В процессе заполнения камеры азотом с низким давлением на экране обнаруживались световые вспышки. Данное явление указывало на тот факт, что в условиях эксперимента существует поток неизвестных частиц, обладающих способностью проникать сквозь практически полностью задерживающую поток α -частиц фольгу Ф . Раз за разом удаляя от окна камеры экран Э. Резерфорд смог измерить среднюю длину свободного пробега наблюдаемых частиц в воздухе. Полученная величина оказалась приблизительно равной 28 с м, что совпадало с оценкой длины пробега наблюдавшихся ранее Дж. Томсоном H -частиц.
С помощью исследований воздействия электрических и магнитных полей на выбиваемые из ядер азота частицы были получены данные о положительности их элементарного заряда. Также было доказано, что масса таких частиц эквивалентна массе ядер атомов водорода.
Впоследствии опыт выполнили с целым рядом других газообразных веществ. Во всех проведенных подобных опытах было обнаружено, что из их ядер α -частицы выбивают H -частицы или протоны.
Согласно современным измерениям, положительный заряд протона абсолютно эквивалентен элементарному заряду e = 1 , 60217733 · 10 – 19 К л. Другими словами, по модулю он равен отрицательному заряду электрона. В наше время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью 10 – 22 . Подобное совпадение зарядов двух значительно отличающихся друг от друга частиц вызывает искреннее недоумение и по сей день остается одной из фундаментальных загадок современной физики.
Определение 2
Опираясь на современные измерения, можно заявить, что масса протона равна m p = 1 , 67262 · 10 – 27 к г. В условиях ядерной физики принадлежащую частицам массу нередко выражают в атомных единицах массы (а. е. м.) , равных массы атома углерода с массовым числом 12:
1 а. е. м. = 1 , 66057 · 10 - 27 к г.
Соответственно, m p = 1 , 007276 а. е. м.
Довольно часто выражение массы частицы наиболее удобно при использовании эквивалентных значений энергии в соответствии со следующей формулой: E = m c 2 . По причине того, что 1 э В = 1 , 60218 · 10 – 19 Д ж, в энергетических единицах масса протона равняется 938 , 272331 М э В.
Следовательно, опыт Резерфорда, открывший явление расщепления ядер азота и иных элементов таблицы Менделеева в условиях ударов быстрых α -частиц, также показал, что в состав атомных ядер входят протоны.
Вследствие открытия протонов у некоторых физиков появилось предположение, что новые частицы не просто входят в состав ядер атомов, а являются его единственными возможными элементами. Однако по причине того, что отношение заряда ядра к его массе не остается постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в состав ядер входили одни протоны, данное предположение было признано несостоятельным. Для более тяжелых ядер такое отношение оказывается меньше, чем для легких, из чего следует, что при переходе к более тяжелым ядрам масса ядра возрастает быстрее заряда.
В 1920 году Э. Резерфордом была высказана гипотеза о присутствии в составе ядер некой компактной жестко связанной пары, состоящей из электрона и протона. В понимании ученого данная связка являлась электрически нейтральным образованием в качестве частицы, обладающей практически эквивалентной массе протона массой. Им также было придумано название для данной гипотетической частицы, Резерфорд хотел назвать ее нейтроном. К сожалению, приведенная идея, несмотря на свою красоту, была ошибочной. Было выяснено, что электрон не может являться частью ядра. Квантово-механический расчет на основании соотношения неопределенностей показывает, что локализованный в ядре, т. е. области размером R ≈ 10 – 13 с м, электрон должен обладать невероятной кинетической энергией, которая на много порядков превосходит энергию связи ядер в расчете на одну частицу.
Идея о существовании некой тяжелой нейтрально заряженной частицы в составе ядра была крайне привлекательна для Резерфорда. Ученый незамедлительно обратился к группе своих учеников во главе с Дж. Чедвиком с предложением заняться ее поисками. По прошествии 12 лет, в 1932 году Чедвик провел экспериментальное исследование излучения, возникающего в условиях облучения бериллия α -частицами. В процессе он обнаружил, что данное излучение является потоком нейтральных частиц, обладающих массой, практически эквивалентной массе протона. Таким образом был открыт нейтрон. На рисунке 6 . 5 . 2 проиллюстрирована упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов.
Рисунок 6 . 5 . 2 . Схема установки для обнаружения нейтронов.
В процессе бомбардировки бериллия испускаемыми радиоактивным полонием α -частицами появляется мощное проникающее излучение, способное пройти сквозь преграду в виде 10 - 20 сантиметрового слоя свинца. Данное излучение практически в то же время, что и Чедвик обнаружили супруги дочь Марии и Пьера Кюри Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, однако ими было выдвинуто предположение, что это γ -лучи большой энергии. Они заметили, что если на пути излучения бериллия установить парафиновую пластину, то ионизирующая способность данного излучения скачкообразно увеличивается. Супруги доказали, что излучение бериллия выбивает из парафина в большом количестве имеющиеся в приведенном водородосодержащем веществе протоны. Используя значение длины свободного пробега протонов в воздухе, учеными была оценена энергия γ -квантов, обладающих способностью в условиях столкновения сообщать протонам нужную скорость. Полученное в результате оценки значение энергии оказалось огромным – около 50 М э В.
В 1932 Дж. Чедвиком была выполнена целая серия из экспериментов, направленных на всестороннее изучение свойств излучения, которое возникает при облучении бериллия α -частицами. В своих опытах Чедвик применял разные методы исследования ионизирующих излучений.
Определение 3
На рисунке 6 . 5 . 2 проиллюстрирован счетчик Гейгера , прибор, использующийся для регистрации заряженных частиц.
Данное устройство состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется инертным газом, обычно в его качестве выступает аргон, при низком давлении. Заряженная частица в процессе перемещения в газе вызывает ионизацию молекул.
Определение 4
Возникающие в результате ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем между анодом и катодом до энергий, при которых начинается явление ударной ионизации. Появляется лавина ионов, и через счетчик проходит короткий разрядный импульс тока.
Определение 5
Еще одним обладающим чрезвычайной важностью для исследования частиц прибором является камера Вильсона , в которой быстрая заряженная частица оставляет след или, как его еще называют, трек.
Траекторию частицы можно фотографировать или наблюдать непосредственно. Фундаментом действия созданной в 1912 году камеры Вильсона является явление конденсации перенасыщенного пара на ионах, которые образуются в рабочем объеме камеры вдоль траектории заряженной частицы. При помощи камеры Вильсона появляется возможность наблюдения искривления траектории заряженной частицы в электрическом и магнитном полях.
Доказательство 1
В своих экспериментах Дж. Чедвик наблюдал в камере Вильсона следы испытавших столкновение с бериллиевым излучением ядер азота. Основываясь на данных опытах, ученый оценил энергию γ -кванта, способного сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте скорость. Полученное значение равнялось 100 – 150 М э В. Настолько огромной энергией не могли обладать испущенные бериллием γ -кванты. Исходя из этого факта, Чедвик заключил, что из бериллия при воздействии α -частиц вылетают не безмассовые γ -кванты, а достаточно тяжелые частицы. Данные частицы обладали немалой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ в счетчике Гейгера, соответственно, они были электронейтральны. Таким образом было доказано существование нейтрона – частицы, которую предсказал Резерфорд более чем за 10 лет до опытов Чедвика.
Определение 6
Нейтрон представляет собой элементарную частицу. Ошибочным будет ее представление в виде компактной протон-электронной пары, как изначально предполагал Резерфорд.
Исходя из результатов современных измерений, мы можем сказать, что масса нейтрона m n = 1 , 67493 · 10 – 27 к г = 1 , 008665 а. е. м.
В энергетических единицах масса нейтрона эквивалентна 939 , 56563 М э В. Масса нейтрона примерно на две электронные массы превосходит массу протона.
Сразу же после открытия нейтрона российский ученый Д. Д. Иваненко на пару с немецким физиком В. Гейзенберг выдвинул гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер, которая полностью подтвердилась последующими исследованиями.
Определение 7
Протоны и нейтроны принято называть нуклонами .
Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений.
Определение 8
Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева).
Заряд ядра равен Z e , где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N .
Определение 9
Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом ядра A:
Определение понятия изотопа
Ядра химических элементов обозначают символом X Z A , где X – химический символ элемента. Например,
H 1 1 – водород, He 2 4 – гелий, C 6 12 – углерод, O 8 16 – кислород, U 92 238 – уран.
Определение 10
Число нейтронов в ядрах одного и того же химического элемента может быть различным. Такие ядра называются изотопами .
Большая часть химических элементов обладает несколькими изотопами. Например, у водорода их три: H 1 1 – обычный водород, H 1 2 – дейтерий и H 1 3 – тритий. У углерода – 6 изотопов, у кислорода – 3 .
Химические элементы в природных условиях чаще всего представляют собой смесь изотопов. Существование изотопов определяет значение атомной массы природного элемента в периодической системе Менделеева. Так, к примеру, относительная атомная масса природного углерода равняется 12 , 011 .
Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
Атомное ядро
Atomic nucleus
Атомное ядро
– центральная и очень компактная часть атома, в которой сосредоточена практически
вся его масса и весь положительный электрический заряд. Ядро, удерживая
вблизи себя кулоновскими силами электроны в количестве, компенсирующем его
положительный заряд, образует нейтральный атом. Большинство ядер имеют форму
близкую к сферической и диаметр ≈ 10 -12 см, что на четыре порядка
меньше диаметра атома (10 -8 см). Плотность вещества в ядре –
около 230 млн.тонн/см 3 .
Атомное ядро было открыто в 1911 г. в результате серии экспериментов
по рассеянию альфа-частиц тонкими золотыми и платиновыми фольгами, выполненных
в Кембридже (Англия) под руководством
Э. Резерфорда .
В 1932 г. после открытия там же
Дж. Чедвиком
нейтрона стало ясно, что ядро состоит из протонов и нейтронов
(В.
Гейзенберг ,
Д.Д. Иваненко ,
Э. Майорана).
Для обозначения атомного ядра используется символ химического
элемента атома, в состав которого входит ядро, причём левый верхний индекс
этого символа показывает число нуклонов (массовое число) в данном ядре,
а левый нижний индекс – число протонов в нём. Например, ядро никеля, содержащее
58 нуклонов, из которых 28 протонов, обозначается
.
Это же ядро можно также обозначать 58 Ni, либо никель-58.
Ядро – система плотно упакованных протонов и нейтронов,
двигающихся со скоростью 10 9 -10 10 см/сек и удерживаемых
мощными и короткодействующими ядерными силами взаимного притяжения (область
их действия ограничена расстояниями ≈ 10 -13 см).
Протоны и нейтроны имеют размер около 10 -13 см и рассматриваются
как два разных состояния одной частицы, называемой нуклоном. Радиус ядра
можно приближённо оценить по формуле R ≈ (1.0-1.1)·10 -13 А 1/3
см, где А – число нуклонов (суммарное число протонов и нейтронов)
в ядре. На рис. 1 показано как меняется плотность
вещества (в
единицах 10 14 г/см 3) внутри ядра никеля, состоящего
из 28 протонов и 30 нейтронов, в зависимости от расстояния r (в единицах
10 -13 см) до центра ядра.
Ядерное взаимодействие (взаимодействие между нуклонами в ядре)
возникает за счёт того, что нуклоны обмениваются мезонами. Это взаимодействие
– проявление более фундаментального сильного взаимодействиямежду
кварками, из которых состоят нуклоны и мезоны (подобным образом силы химической
связи в молекулах – проявление более фундаментальных электромагнитных сил).
Мир ядер очень разнообразен. Известно около 3000 ядер, отличающихся
друг от друга либо числом протонов, либо числом нейтронов, либо тем и другим.
Большинство из них получено искусственным путём.
Лишь 264 ядра стабильны, т.е. не испытывают со временем никаких самопроизвольных
превращений, именуемых распадами. Остальные испытывают различные формы распада
– альфа-распад (испускание альфа-частицы, т.е. ядра атома гелия); бета-распад
(одновременное испускание – электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино,
а также поглощение атомарного электрона с испусканием нейтрино); гамма-распад
(испускание фотона) и другие.
Различные типы ядер часто называют нуклидами. Нуклиды с одинаковым
числом протонов и разным числом нейтронов называют изотопами. Нуклиды с
одинаковым числом нуклонов, но разным соотношением протонов и нейтронов
называются изобарами. Лёгкие ядра содержат примерно равные количества протонов
и нейтронов. У тяжёлых ядер число нейтронов примерно в 1,5 раза превышает
число протонов. Самое лёгкое ядро – ядро атома водорода, состоящее из одного
протона. У наиболее тяжелых известных ядер (они получены искусственно) число
нуклонов ≈290. Из них 116-118 протонов.
Различные комбинации количества протонов Z и нейтронов соответствуют
различным атомным ядрам. Атомные ядра существуют (т.е. их время жизни t
> 10 -23 c) в довольно узком диапазоне изменений чисел Z и N.
При этом все атомные ядра делятся на две большие группы - стабильные и радиоактивные
(нестабильные). Стабильные ядра группируются вблизи линии стабильности,
которая определяется уравнением
|
Рис. 2. NZ- диаграмма атомных ядер. |
На рис. 2 показана NZ-диаграмма атомных ядер. Черными
точками показаны стабильные ядра. Область расположения стабильных ядер обычно
называют долиной стабильности. С левой стороны от стабильных ядер находятся
ядра, перегруженные протонами (протонноизбыточные ядра), справа – ядра,
перегруженные нейтронами (нейтронноизбыточные ядра). Цветом выделены атомные
ядра, обнаруженные в настоящее время. Их около 3.5 тысяч. Считается, что
всего их должно быть 7 – 7.5 тысяч. Протоноизбыточные ядра (малиновый цвет)
являются радиоактивными и превращаются в стабильные в основном в результате
β + -распадов, протон, входящий в состав ядра при
этом превращается в нейтрон. Нейтроноизбыточные ядра (голубой цвет) также
являются радиоактивными и превращаются в стабильные в результате
- -распадов,
с превращением нейтрона ядра в протон.
Самыми тяжелыми стабильными изотопами являются изотопы свинца
(Z = 82) и висмута (Z = 83). Тяжелые ядра наряду с процессами β +
и β - -распада подвержены также α-распаду
(желтый цвет) и спонтанному делению, которые становятся их основными каналами
распада. Пунктирная линия на рис. 2 очерчивает область возможного существования
атомных ядер. Линия B p = 0 (B p – энергия
отделения протона) ограничивает область существования атомных ядер слева
(proton drip-line). Линия B n = 0 (B n – энергия отделения
нейтрона) – справа (neutron drip-line). Вне этих границ атомные ядра существовать
не могут, так как они распадаются за характерное ядерное время (~10 -23
– 10 -22 c) с испусканием нуклонов.
При соединении (синтезе) двух лёгких ядер и делении тяжёлого
ядра на два более лёгких осколка выделяется большая энергия. Эти два способа
получения энергии – самые эффективные из всех известных. Так 1 грамм ядерного
топлива эквивалентен 10 тоннам химического топлива. Синтез ядер (термоядерные
реакции) является источником энергии звёзд. Неуправляемый (взрывной) синтез
осуществляется при подрыве термоядерной (или, так называемой, “водородной”)
бомбы. Управляемый (медленный) синтез лежит в основе перспективного разрабатываемого
источника энергии – термоядерного реактора.
Неуправляемое (взрывное) деление происходит при взрыве атомной
бомбы. Управляемое деление осуществляется в ядерных реакторах, являющихся
источниками энергии в атомных электростанциях.
Для теоретического описания атомных ядер используется квантовая
механика и различные модели.
Ядро может вести себя и как газ (квантовый газ) и как жидкость
(квантовая жидкость). Холодная ядерная жидкость обладает свойствами сверхтекучести.
В сильно нагретом ядре происходит распад нуклонов на составляющие их кварки.
Эти кварки взаимодействуют обменом глюонами. В результате такого распада
совокупность нуклонов внутри ядра превращается в новое состояние материи
– кварк-глюонную плазму
