Строение атома и атомного ядра. Строение атомного ядра
А́томное ядро́ - центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом.
Атомное ядро состоит из нуклонов - положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия.
Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом .
Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом - это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом, в таблице (Периодической системе элементов) Менделеева. Количество протонов в ядре определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом . Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов - называются изотонами.
Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом () и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разным протон-нейтронным составом принято называть изобарами.
Масса
Из-за разницы в числе нейтронов изотопы элемента имеют разную массу , которая является важной характеристикой ядра. В ядерной физике массу ядер принято измерять в атомных единицах массы (а. е. м. ), за одну а. е. м. принимают 1/12 часть массы нуклида 12 C [сн 2] . Следует отметить, что стандартная масса, которая обычно приводится для нуклида - это масса нейтрального атома. Для определения массы ядра нужно из массы атома вычесть сумму масс всех электронов(более точное значение получится, если учесть ещё и энергию связи электронов с ядром).
Кроме того, в ядерной физике часто используется энергетический эквивалент массы. Согласно соотношению Эйнштейна, каждому значению массы соответствует полная энергия:
Где - скорость света в вакууме.
Соотношение между а. е. м. и её энергетическим эквивалентом в джоулях:
а так как 1 электронвольт = 1,602176·10 −19 Дж, то энергетический эквивалент а. е. м. в МэВ равен
Радиус
Анализ распада тяжёлых ядер уточнил оценку Резерфорда [сн 3] и связал радиус ядра с массовым числом простым соотношением:
где - константа.
Так как радиус ядра не является чисто геометрической характеристикой и связан прежде всего с радиусом действия ядерных сил, то значение зависит от процесса, при анализе которого получено значение , усреднённое значение м, таким образом радиус ядра в метрах
Заряд
Число протонов в ядре определяет непосредственно его электрический заряд, у изотопов одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. .
Впервые заряды атомных ядер определил Генри Мозли в 1913 году. Свои экспериментальные наблюдения учёный интерпретировал зависимостью длины волны рентгеновского излучения от некоторой константы , изменяющейся на единицу от элемента к элементу и равной единице для водорода:
, где
И - постоянные.
Энергия связи ядер.
Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.
Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. В настоящее время физики научились измерять массы частиц – электронов, протонов, нейтронов, ядер и др. – с очень высокой точностью. Эти измерения показывают, что масса любого ядра M я всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов :
Эта энергия выделяется при образовании ядра в виде излучения γ-квантов.
Ядерные силы.
Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10 –15 м. Длина (1,5 – 2,2)·10 –15 м называется радиусом действия ядерных сил.
Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость : притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов – протонного или нейтронного. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи зеркальных ядер . Так называются ядра , в которых одинаково общее число нуклонов , но число протонов в одном равно числу нейтронов другом .
Ядерные силы обладают свойством насыщения , которое проявляется в том , что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов . Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел A . Практически полное насыщение ядерных сил достигается у α-частицы, которая является очень устойчивым образованием.
Ядерные силы зависят от ориентации спинов взаимодействующих нуклонов . Это подтверждается различным характером рассеяния нейтронов молекулами орто- и параводорода. В молекуле ортоводорода спины обоих протонов параллельны друг другу, а в молекуле параводорода они антипараллельны. Опыты показали, что рассеяние нейтронов на параводороде в 30 раз превышает рассеяние на ортоводороде. Ядерные силы не являются центральными.
Итак, перечислим общие свойства ядерных сил :
· малый радиус действия ядерных сил (R ~ 1 Фм);
· большая величина ядерного потенциала U ~ 50 МэВ;
· зависимость ядерных сил от спинов взаимодействующих частиц;
· тензорный характер взаимодействия нуклонов;
· ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинового и орбитального моментов нуклона (спин-орбитальные силы);
· ядерное взаимодействие обладает свойством насыщения;
· зарядовая независимость ядерных сил;
· обменный характер ядерного взаимодействия;
· притяжение между нуклонами на больших расстояниях (r > 1 Фм), сменяется отталкиванием на малых (r < 0,5 Фм).
Особенностью радиоактивного загрязнения в отличие от загрязнения другими поллютантами является то, что вредное воздействие на человека и объекты окружающей среды оказывает не сам радионуклид (поллютант), а излучение, источником которого он является.
Однако бывают случаи, когда радионуклид - токсичный элемент. Например, после аварии на Чернобыльской АЭС в окружающую среду с частицами ядерного топлива были выброшены плутоний 239, 242 Рu. Кроме того, что плутоний - альфа-излучатель и при попадании внутрь организма представляет значительную опасность, плутоний сам по себе - токсичный элемент.
По этой причине используют две группы количественных показателей: 1) для оценки содержания радионуклидов и 2) для оценки воздействия излучения на объект.
Активность
- количественная мера содержания радионуклидов в анализируемом объекте. Активность определяется числом радиоактивных распадов атомов в единицу времени. Единицей измерения активности в системе СИ является Беккерель (Бк) равный одному распаду в секунду (1Бк = 1 расп/с). Иногда используется внесистемная единица измерения активности - Кюри (Ки); 1Ки = 3,7 ×1010 Бк.
Доза излучения
- количественная мера воздействия излучения на объект.
В связи с тем, что воздействие излучения на объект можно оценивать на разных уровнях: физическом, химическом, биологическом; на уровне отдельных молекул, клеток, тканей или организмов и т. д., используют несколько видов доз: поглощенную, эффективную эквивалентную, экспозиционную.
Для оценки изменения дозы излучения во времени используют показатель «мощность дозы». Мощность дозы - это отношение дозы ко времени. Например, мощность дозы внешнего облучения от естественных источников радиации составляет на территории России 4-20 мкР/ч.
Основной норматив для человека - основной дозовый предел (1 мЗв/год) - вводится в единицах, эффективной эквивалентной дозы. Существуют нормативы и в единицах активности, уровни загрязнения земель, ВДУ, ПГП, СанПиН и др.
Строение атомного ядра.
Атом - это мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства. По своей структуре атом представляет сложную систему, состоящую из находящегося в центре атома положительно заряженного ядра очень малого размера (10 -13 см) и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра на различных орбитах. Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, при этом в целом оказывается электрически нейтральным.
Атомные ядра состоят из нуклонов - ядерных протонов (Z - число протонов) и ядерных нейтронов (N - число нейтронов). « Ядерные» протоны и нейтроны отличаются от частиц в свободном состоянии. Например, свободный нейтрон, в отличие от связанного в ядре, нестабилен и превращается в протон и электрон.
Число нуклонов Ам (массовое число) представляет собой сумму чисел протонов и нейтронов: Ам = Z+ N .
Протон - элементарная частица любого атома, он имеет положительный заряд, равный заряду электрона. Число электронов в оболочке атома определяется числом протонов в ядре.
Нейтрон - другой вид ядерных частиц всех элементов. Его нет лишь в ядре легкого водорода, состоящего из одного протона. Он не имеет заряда, электрически нейтрален. В атомном ядре нейтроны являются стабильными, а в свободном состоянии они неустойчивы. Число нейтронов в ядрах атомов одного и того же элемента может колебаться, поэтому число нейтронов в ядре не характеризует элемент.
Нуклоны (протоны + нейтроны) удерживаются внутри атомного ядра ядерными силами притяжения. Ядерные силы в 100 раз сильнее электромагнитных сил и поэтому удерживает внутри ядра одноименно заряженные протоны. Ядерные силы проявляются только на очень малых расстояниях (10 -13 см), они составляют потенциальную энергию связи ядра, которая при некоторых превращениях частично освобождается, переходит в кинетическую энергию.
Для атомов отличающихся составом ядра, употребляется название «нуклиды», а для радиоактивных атомов - «радионуклиды».
Нуклидами называют атомы или ядра с данным числом нуклонов и данным зарядом ядра (обозначение нуклида А Х).
Нуклиды, имеющие одинаковое число нуклонов (Ам = соnst), называются изобарами. Например, нуклиды 96 Sr, 96 Y, 96 Zr принадлежат к ряду изобаров с числом нуклонов Ам = 96.
Нуклиды, имеющие одинаковое число протонов (Z = соnst), называются изотопами. Они различаются только числом нейтронов, поэтому принадлежат одному и тому же элементу: 234 U, 235 U, 236 U, 238 U.
Изотопы - нуклиды с одинаковым числом нейтронов (N = Ам -Z = const). Нуклиды: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca принадлежат к ряду изотопов с 20 нейтронами.
Изотопы принято обозначать в виде Z Х М, где X - символ химического элемента; М - массовое число, равное сумме числа протонов и нейтронов в ядре; Z - атомный номер или заряд ядра, равный числу протонов в ядре. Поскольку каждый химический элемент имеет свой постоянный атомный номер, то его обычно опускают и ограничиваются написанием только массового числа, например: 3 Н, 14 С, 137 Сs, 90 Sr и т. д.
Атомы ядра, которые имеют одинаковые массовые числа, но разные заряды и, следственно, различные свойства называют «изобарами», так например один из изотопов фосфора имеет массовое число 32 - 15 Р 32 , такое же массовое число имеет и один из изотопов серы - 16 S 32 .
Нуклиды могут быть стабильными (если их ядра устойчивы и не распадаются) и нестабильными (если их ядра неустойчивы и подвергаются изменениям, приводящим в конечном итоге к увеличению стабильности ядра). Неустойчивые атомные ядра, способные самопроизвольно распадаться, называют радионуклидами. Явление самопроизвольного распада ядра атома, сопровождающееся излучением частиц и (или) электромагнитного излучения, называется радиоактивностью.
В результате радиоактивного распада может образоваться как стабильный, так и радиоактивный изотоп, в свою очередь, самопроизвольно распадающийся. Такие цепочки радиоактивных элементов, связанные серией ядерных превращений, называются радиоактивными семействами.
В настоящее время IUРАС (Международный союз теоретической и прикладной химии) официально дал название 109 химическим элементам. Из них только 81 имеет стабильные изотопы, наиболее тяжелым из которых является висмут (Z = 83). Для остальных 28 элементов известны только радиоактивные изотопы, причем уран (U ~ 92) является самым тяжелым элементом, встречающимся в природе. Самый большой из природных нуклидов имеет 238 нуклонов. В общей сложности в настоящее время доказано существование порядка 1700 нуклидов этих 109 элементов, причем число изотопов, известных для отдельных элементов, колеблется от 3 (для водорода) до 29 (для платины).
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.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Атом состоит из положительно заряженного ядра, внутри которого находятся протоны и нейтроны, а по орбитам вокруг него движутся электроны. Ядро атома расположено в центре и в нем сосредоточена практически вся его масса.
По величине заряда ядра атома определяют химический элемент, к которому этот атом относится.
Существование атомного ядра было доказано в 1911 году Э. Резерфордом и описано в труде под названием «Рассеяние α и β-лучей и строение атома». После этого разными учеными выдвигались многочисленные теории строения атомного ядра (капельная (Н. Бор), оболочечная, кластерная, оптическая и т.д.).
Электронное строение ядра атома
Согласно современным представлениям атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые вместе называют нуклонами. Они удерживаются в ядре за счет сильного взаимодействия.
Число протонов в ядре называют зарядовым числом (Z). Его можно определить при помощи Периодической таблицы Д. И. Менделеева - оно равно порядковому номеру химического элемента, к которому относится атом.
Число нейтронов в ядре называют изотопическим числом (N). Суммарное количество нуклонов в ядре называют массовым числом (M) и оно равно относительной атомной массе атома химического элемента, указанной в Периодической таблице Д. И. Менделеева.
Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов называют изотонами. Если же в ядре одинаковое число протонов, но различное нейтронов - изотопами. В случае, когда равны массовые числа, но различный состав нуклонов - изобарами.
Ядро атома может находиться в стабильном (основном) состоянии и в возбужденном.
Рассмотрим строение ядра атома на примере химического элемента кислорода. Кислород имеет порядковый номер 8 в Периодической таблице Д. И. Менделеева и относительную атомную массу 16 а.е.м. Это означает, что ядро атома кислорода имеет заряд равный (+8). В ядре содержится 8 протонов и 8 нейтронов (Z=8, N=8, M=16), а по 2-м орбитам вокруг ядра движутся 8 электронов (рис. 1).
Рис. 1. Схематичное изображение строения атома кислорода.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Охарактеризуйте квантовыми числами все электроны, которые находятся на 3p-подуровне. |
| Решение | На p-подуровне 3-го уровня находится шесть электронов: |
§1 Заряд и масса, атомных ядер
Важнейшими характеристиками ядра являются его заряд и масса М .
Z - заряд ядра определяется количеством положительных элементарных зарядов сосредоточенных в ядре. Носителем положительного элементарного заряда р = 1,6021·10 -19 Кл в ядре является протон. Атом в целом нейтрален и заряд ядра определяет одновременно число электронов в атоме. Распределение электронов в атоме по энергетическим оболочкам и подоболочкам суще-ственно зависит от их общего числа в атоме. Поэтому заряд ядра в значительной мере определяет распределение электронов по их состояниям в атоме и положение элемента в периодической системе Менделеева. Заряд ядра равен q я = z · e , где z -зарядовое число ядра, равное порядковому номеру элемента в системе Менделеева.
Масса атомного ядра практически совпадает с массой атома, потому что масса электронов всех атомов, кроме водородного, составляет примерно 2,5· 10 -4 массы атомов. Массу атомов выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За а.е.м. принята1/12 масса атома углерода .
1 ае.м. =1,6605655(86)·10 -27 кг.
m я = m a - Z m e .
Изотопами, называются разновидности атомов данного химического элемента, обладающие одинаковым зарядом, но различающееся массой.
Целое число ближайшее к атомной массе, выраженной в а.е. м . называется массовым число м и обозначается буквой А . Обозначение химического эле-мента: А - массовое число, X - символ химического элемента, Z -зарядовое чис-ло - порядковый номер в таблице Менделеева ():
Бериллий ; Изотопы: , ", .
Радиус ядра:
где А - массовое число.
§2 Состав ядра
Ядро атома водорода называется протоном
m
протона
= 1,00783 а.е.м. ,
.
Схема атома водорода
В 1932 г. была открыта частица названная нейтроном, обладающая мас-сой близкой к массе протона (m нейтрона = 1,00867 а.е.м.) и не имеющая электрического заряда. Тогда же Д.Д. Иваненко сформулировал гипотезу о протонно - нейтроном строении ядра: ядро состоит из протонов и нейтронов и их сумма равна массовому числу А . 3арядовое число Z определяет число протонов в ядре, число нейтронов N =А - Z .
Элементарные частицы - протоны и нейтроны, входящие в состав ядра , получили общее название нуклонов. Нуклоны ядер находятся в состояниях , существенно отличающихся от их свободных состояний. Между нуклонами осуществляется особое я де р ное взаимодействие. Говорят, что нуклон может находиться в двух «зарядовых состояниях» - протонном с зарядом + е , и ней-тронном с зарядом 0.
§3 Энергия связи ядра. Дефект массы. Ядерные силы
Ядерные частицы - протоны и нейтроны - прочно удерживаются внутри ядра, поэтому между ними действуют очень большие силы притяжения, спо-собные противостоять огромным силам отталкивания между одноименно за-ряженными протонами. Эти особые силы, возникающие на малых расстояниях между нуклонам, называются ядерными силами. Ядерные силы не являются электростатическими (кулоновскими).
Изучение ядра показало, что действующие между нуклонами ядерные силы обладают следующими особенностями:
а) это силы короткодействующие - проявляющееся на расстояниях порядка 10 -15 м и резко убывающие даже при незначительном увеличения рас-стояния;
б) ядерные силы не зависят от того, имеет ли частица (нуклон) заряд - за-рядовая независимость ядерных сил. Ядерные силы, действующие между нейтроном и протоном, между двумя нейтронами, между двумя протонами равны. Протон и нейтрон по отношению к ядерным силам одинаковы.
Энергия связи является мерой устойчивости атомного ядра. Энергия связи ядра равна работе, которую нужно совершить для расщепления ядра на со-ставляющие его нуклоны без сообщения им кинетической энергии
М Я < Σ(m p + m n )
Мя - масса ядра
Измерение масс ядер показывает, что масса покой ядра меньше, чем сумма масс покоя составляющих его нуклонов.
Величина
служит мерой энергия связи и называется дефектом массы.
Уравнение Эйнштейна в специальной теории относительности связывает энергию и массу покоя частицы.
В общем случае энергия связи ядра может быть подсчитана по формуле
где Z - зарядовое число (число протонов в ядре);
А - массовое число (общее число нуклонов в ядре);
m p , , m n и М я - масса протона, нейтрона а ядра
Дефект массы (Δm ) равны.й 1 а.е. м. (а.е.м. - атомная единица массы) со-ответствует энергий связи (Е св), равной 1 а.е.э. (а.е.э. - атомная единица энер-гии) и равной 1а.е.м.·с 2 = 931 МэВ.
Изменения ядер при взаимодействии их с отдельными частицами и друг с другом принято называть ядерными реакциями.
Различают следующие, наиболее часто встречающиеся ядерные реакции.
- Реакция превращения . В этом случае налетевшая частица остается в ядре, но промежуточное ядро испускает какую-либо другую частицу, поэто-му ядро - продукт отличается от ядра-мишени.
- Реакция радиационного захвата . Налетевшая частица застревает в ядре, но возбужденное ядро испускает избыточную энергию, излучая γ- фотон (используется в работе ядерных реакторов)
Пример реакции захвата нейтронов кадмием
или фосфором
- Рассеяние . Промежуточное ядро испускает частицу, тождественную
с налетевшей, причем может быть:
Упругое рассеяние нейтронов углеродом (используется в реакторах для замедления нейтронов):
Неупругое рассеяние :
- Реакция деления . Это реакция, идущая всегда с выделением энергии. Она является основой для технического получения и использования ядерной энергии. При реакции деления возбуждение промежуточного составного ядра столь велико, что оно делится на два, примерно равных осколка, с выде-лением нескольких нейтронов.
Если энергия возбуждения невелика, то разделение ядра не происходит, а ядро, потеряв избыток энергии путем испускания γ - фотона или нейтрона, воз-вратится в нормальное состояние (рис. 1). Но если вносимая нейтроном энер-гия велика, то возбужденное ядро начинает деформироваться, в нем образуется перетяжка и в результате оно делится на два осколка, разлетающихся с ог-ромными скоростями, при этом испускается два нейтрона
(рис. 2).
Цепная реакция - саморазвивающаяся реакция деления. Для осуществ-ления её необходимо, чтобы из вторичных нейтронов, образующихся при од-ном акте деления, хотя бы один смог вызвать следующий акт деления: (так как некоторые нейтроны могут участвовать в реакциях захвата не вызывая деле-ния) . Количественно условие существования цепной реакции выражает коэффициент размножения
k < 1 - цепная реакция невозможна, k = 1 (m = m кр ) - цепная реакций с по-стоянным количеством нейтронов (в ядерном реакторе}, k > 1 (m > m кр ) - ядерные бомбы.
§1 Естественная радиоактивность
Радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение неустойчивых ядер одного элемента в ядра другого элемента. Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существую-щих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных ре-акций.
Типы радиоактивности:
- α-распад.
Испускание ядрами некоторых химических элементов α-системы двух протонов и двух нейтронов, соединенных воедино (а-частица - ядро атома ге-лия )
α-распад присущ тяжелым ядрам с А > 200 и Z > 82. При движении в веще-стве α-частицы производят на своем пути сильную ионизацию атомов (иони-зация - отрыв электронов от атома), действуя на них своим электрическим полем. Расстояние, на которое пролетает α-частица в веществе до полной её остановки, называется пробегом частицы или проникающей способностью (обозначается R , [ R ] = м, см). . При нормальных условиях α- частица образует в воздухе 30000 пар ионов на 1 см пути. Удельной ионизаци-ей называется число пар ионов образующихся на 1 см длины пробега. α- частица оказывает сильное биологическое действие.
Правило смещения для α-распада:
2. β-распад.
а) электронный (β -): ядро испускает электрон и электронное антинейтрино
б) позитронный (β +):ядро испускает позитрон и нейтрино
Эта процессы происходят, путем превращения одного вида нуклона в яд-ре в другой: нейтрона в протон или протона в нейтрон.
Электронов в ядре нет, они образуются в результате взаимного превра-щения нуклонов.
Позитрон - частица, отличающаяся от электрона только знаком за-ряда (+е = 1,6·10 -19 Кл)
Из эксперимента следует, что при β - распаде изотопы теряют одинаковое количество энергии. Следовательно, на основании закона сохранения энергии В. Паули предсказал, что выбрасывается еще одна легкая частица, названная антинейтрино. Антинейтрино не имеет заряда и массы. Потери энергии β - частицами при прохождении их через вещество вызываются, главным обра-зом, процессами ионизации. Часть энергии теряется на рентгеновское излуче-ние при торможении β - частицы ядрами поглощающего вещества. Так как β - частицы обладают малой массой, единичным зарядом и очень большими скоростями, то их ионизирующая способность невелика, (в 100 раз меньше, чем у α - частиц), следовательно, проникающая способность (пробег) у β - частиц суще-ственно больше, чем у α - частиц.
R β воздуха =200 м, R β Pb ≈ 3 мм
β - - распад происходит у естественных и искусственных радиоактивных ядер. β + - только при искусственной радиоактивности.
Правило смещения для β - - распада :
в) К - захват (электронный захват) - ядро поглощает один из электронов, находящихся на оболочке К (реже L или М ) своего атома, в результате чего один из протонов превращается а нейтрон, испуская при этом нейтрино
Схема К - захвата:
Место е электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышележащих слоев, в результате чего возникают рентгеновские лучи.
- γ-лучи.
Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием γ- лучей. γ-лучи - это электромагнитное излучение, обладающее длинами волн от одного до сотых долей ангстрем λ’=~ 1-0,01 Å=10 -10 -10 -12 м. Энергия γ-лучей достигает миллионов эВ.
W γ ~ MэB
1эВ=1,6·10 -19 Дж
Ядро, испытывающее радиоактивный распад, как правило, оказывается возбужденным, н его переход в основное состояние сопровождается испуска-нием γ - фотона. При этом энергия γ-фотона определяется условием
где Е 2 и E 1 -энергия ядра.
Е 2 - энергия в возбужденном состоянии;
Е 1 - энергия в основном состоянии.
Поглощение γ-лучей веществом обусловлено тремя основными процессами:
- фотоэффектом (при hv < l MэB);
- образованием пар электрон - позитрон;
или
- рассеяние (эффект Комптона) -
Поглощение γ-лучей происходит по закону Бугера:
где μ- линейный коэффициент ослабления, зависящий от энергий γ - лучей и свойств среды;
І 0 - интенсивность падающего параллельного пучка;
I - интенсивность пучка после прохождения вещества толщиной х см.
γ-лучи - одно из наиболее проникающих излучений. Для наиболее жест-ких лучей (hν max ) толщина слоя половинного поглощения равна в свинце 1,6 см, в железе - 2,4 см, в алюминии - 12 см, в земле - 15 см.
§2 Основной закон радиоактивного распада.
Число распавшихся ядер dN пропорционально первоначальному числу ядер N и времени распада dt , dN ~ N dt . Основной закон радиоактивного распада в дифференциальной форме:
Коэффициент λ называется постоянной распада для данного вида ядер. Знак “-“ означает, что dN должно быть отрицательным, так как конечное чис-ло не распавшихся ядер меньше начального.
следовательно, λ характеризует долю ядер, распадающихся за единицу време-ни, т е. определяет скорость радиоактивного распада. λ не зависит от внешних условий, а определяется лишь внутренними свойствами ядер. [λ]=с -1 .
Основной закон радиоактивного распада в интегральной форме
где N 0 - первоначальное число радиоактивных ядер при t =0;
N - число не распавшихся ядер в момент времени t ;
λ - постоянная радиоактивного распада.
О скорости распада на практике судят используя не λ, а Т 1/2 - период по-лураспада - время, за которое распадается половина первоначального количества ядер. Связь Т 1/2 и λ
Т 1/2 U 238 = 4,5·10 6 лет, Т 1/2 Ra = 1590 лет, Т 1/2 Rn = 3,825 сут. Число распадов в единицу времени А = - dN / dt называется активностью данного радиоактивного вещества.
Из
следует,
[А] = 1Беккерель = 1распад/1с;
[А] = 1Ки = 1Кюри= 3,7·10 10 Бк.
Закон изменения активности
где А 0 =λ N 0 - начальная активность в момент времени t = 0;
А - активность в момент времени t .