Гуманитарное знание

Сила гравитации, действующая  между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится  сблизить частицы. 

Электромагнетизм

По величине электрические  силы намного превосходят гравитационные.

Существование электрона  было твердо установлено в 90-e годы прошлого столетия. Ныне известно, что электрический  заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной единице  заряда – своего рода «атому» заряда. Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Например, фотон и нейтрино электрически нейтральны. В этом отношении электричество  отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Однако в отличие от электрических  зарядов магнитные полюса встречаются  не по отдельности, а только парами – северный полюс и южный полюс.

Как электрическое и гравитационное взаимодействия, взаимодействие магнитных  полюсов подчиняется закону обратных квадратов. Следовательно, электрическая  и магнитная силы «дальнодействующие», и их действие ощутимо на больших  расстояниях от источника.

Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных). 

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с  его проявлением столкнулись  с открытием радиоактивности  и исследованием бета-распада.

У бета-распада обнаружилась странная особенность: вместе с электроном при бета – распаде вылетает еще одна частица. Она – нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».

Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны через несколько  минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы  появляются три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной  силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие.

Оно гораздо слабее электромагнитного, хотя и сильнее гравитационного. Оно распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10n см (где n = - 16) от источника и потому не может  влиять на макроскопические объекты, а  ограничивается отдельными субатомными  частицами. Впоследствии выяснилось, что  большинство нестабильных элементарных частиц участвует в слабом взаимодействии.

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие является источником огромной энергии.

К представлению о существовании  сильного взаимодействия физика шла  в ходе изучения структуры атомного ядра. Выяснилось, что хотя по своей  величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Радиус действия новой силы оказался очень малым. Сильное взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона, превышающем примерно 10n см (где n = - 13).

В сильном взаимодействии участвуют только более тяжелые  частицы.

Таким образом, в фундаментальных  физических взаимодействиях четко  прослеживается различие сил дальнодействующих  и близкодействующих. С одной  стороны, имеют место взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с  другой – взаимодействия малого радиуса  действия (сильное и слабое). Мир  физических элементов в целом  развертывается в единстве этих двух полярностей и является воплощением  единства предельно малого и предельно  большого – близкодействия в микромире  и дальнодействия во всей Вселенной.

2.Классификация элементарных  частиц

Атом (от греческого atomos — неделимый), наименьшая частица химического элемента. В центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома; вокруг движутся электроны, образуя электронные оболочки.

Ядро атома состоит  из положительно заряженных протонов и нейтронов.

Протон (от греческого protos — первый) (p), стабильная положительно заряженная элементарная частица; ядро атома водорода 1H. Число протонов в ядре определяет заряд ядра и его место (порядковый номер) в периодической системе химических элементов. Возможная нестабильность протона оценивается временем его жизни ~1032 лет.

Нейтрон (n), нейтральная элементарная частица с массой, незначительно превышающей массу протона. Нейтроны устойчивы только в составе ядер. Свободный нейтрон нестабилен, распадается на протон и электрон в среднем за время 15,3 мин. В отличие от заряженных частиц, нейтроны легко проникают в ядра и захватываются ими.

Элементарные частицы, общее  название мельчайших «комочков материи» на следующем (после ядер) уровне строения материи (субъядерные частицы). К  элементарным частицам относятся протон (p), нейтрон (n), электрон (e), фотон (g), нейтрино (n) и др. и их античастицы. Все элементарные частицы делятся на 2 группы — адроны и лептоны (кроме фотона).

Адроны (от греческого hadros — большой, сильный), общее название элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях Адроны не удовлетворяют строгому определению элементарности, т.к., по современным представлениям, являются составными — состоят из кварков. Всего известно более 350 элементарных частиц, большинство из них нестабильно. Число их продолжает расти.

Кварки - точечные бесструктурные частицы. В свободном состоянии кварки не наблюдались. Название «кварки» введено американским физиком М. Гелл-Маном; оно заимствовано из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где означает нечто неопределенное, мистическое.

Лептоны, элементарные частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях. К лептонам относятся электрон, мюоны, нейтрино и др. Название “лептон” (от греческого leptos — тонкий, легкий) связано с тем, что массы известных до 1975 лептонов были меньше масс всех других элементарных частиц, имеющих массу покоя.

Кварки и лептоны в  современной физике выступают как  предельная ступень дробления материи.

3. Характеристики субатомных частиц

Характеристиками субатомных частиц являются масса (масса покоя), электрический заряд, спин (собственный  момент количества движения), время  жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный  заряд, барионный заряд и др.

Частица, имеющая нулевую  массу покоя, движется со скоростью  света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми  массами. Электрон – самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона  почти в 2000 раз. А самая тяжелая  из известных элементарных частиц (Z –частицы) обладает массой в 200 000 раз  больше массы электрона.

Электрический заряд меняется в довольно узком диапазоне и  всегда кратен фундаментальной единице  заряда – заряду электрона (-1). Некоторые  частицы (фотон, нейтрино) вовсе не имеют  заряда.

Важная характеристика частицы  – спин. Он также всегда кратен некоторой  фундаментальной единице, которая  выбрана равной Ѕ. Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин Ѕ, а спин фотона равен 1. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частицы со спином 1 принимают тот же вид после полного оборота на 360° . Частиц со спином более 2 не обнаружено, и возможно их вообще не существует. В зависимости от спина, все частицы делятся на две группы:

бозоны – частицы со спинами 0,1 и 2;

фермионы – частицы  с полуцелыми спинами (Ѕ, 3/2)

Частицы характеризуются  и временем их жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы – это электрон, протон, фотон и нейтрино. Все остальные известные частицы – нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10 n сек (где n = - 23).

Заключение

Классификация частиц на лептоны, адроны и переносчики взаимодействий исчерпывает мир известных нам  субатомных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры  материи и Вселенной.

Вопросы по теме

1. Какие четыре фундаментальные взаимодействия присущи миру субатомных частиц?

2. Из чего состоит ядро  атома?

3. Что такое адрон?

4. Какая самая легкая  частица с ненулевой массой  покоя?

5. Какие элементарные  частицы не участвуют в сильных  взаимодействиях?

6. Как выглядит частица  со спином равным 0? 

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

3.     Задание 3 (5). ДНК как носитель генетической информации

План

Введение

1.     Что такое ДНК?

2.     Характеристика ДНК как носителя генетической информации

Заключение

Вопросы по теме

Введение

Наследуемые признаки заложены в материальных единицах, генах, которые  располагаются в хромосомах клеточного ядра. Химическая природа генов известна с 1944 г.: речь идет о дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). Физическая структура была выяснена в 1953 г.  Двойная спираль этой макромолекулы объясняет механизм наследственной передачи признаков.

В конце XIX века в работах Г. Менделя были сформулированы основные законы, определившие наследственную передачу признаков из поколения в поколение. В начале ХХ века в опытах Т.Моргана было показано, что элементарные наследуемые признаки обусловлены материальными единицами (генами), локализованными в хромосомах, где они располагаются последовательно друг за другом.

В конце концов, во многом благодаря трудам Ниренберга (США), был открыт закон соответствия между ДНК и белками – генетический код.

1. Что такое ДНК?

Материальным носителем  генетической информации (наследуемой  из поколения в поколение информации о развитии, структуре и жизнедеятельности  живых организмов) является ДНК (рис. 1), а в ряде случаев (например, у вирусов) – РНК. В живых клетках содержится два  типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Как ДНК, так и РНК несут в себе нуклеотиды, состоящие из трех компонентов: азотистого основания, углевода, остатка фосфорной кислоты. Однако комбинация этих компонентов в ДНК и РНК несколько различны.

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

 

 

Рис 1. Модель молекулы ДНК

Полинуклеидные цепи достигают гигантских размеров. Вполне понятно, что в связи с этим они так же, как и белки, определенным образом упакованы в клетке.

Модель структуры молекулы ДНК впервые создали биохимики  из Кембриджского университета в  Англии Д. Уотсон и Ф. Крик. Было показано, что молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных  одна вокруг другой, с образованием двойной спирали.

Генетическая информация определяет последовательность аминокислот  в полипептидных цепочках, а тем  самым и их структуру. Генетическая информация записана в ДНК посредством 4-буквенного алфавита (А, Г, Т, Ц) и отражается в последовательности нуклеотидов, содержащих 4 типа азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин, цитозин). Участок ДНК, кодирующий структуру молекулы одного из видов РНК, назван геном.

Образование связей в молекуле ДНК – процесс строго закономерный. Адениловый нуклеотид  может образовывать связи лишь с тимиловым, а гуаниловый только с цитозиловым. Эта закономерность получила название принципа комплиментарности, то есть дополнительности. В самом деле, такая строгая последовательность  в выборе пары наводит на мысль, что в двойной молекуле ДНК аденин как бы дополняет тимин и наоборот, а гуанин соответственно – цитозин, как две половинки разбитого зеркала.

Принцип комплиментарности позволяет понять механизм уникального свойства молекул ДНК – их способность самовоспроизводиться. ДНК – это единственное вещество в живых клетках, обладающее подобным свойством. Процесс самовоспроизведения молекул ДНК происходит при активном участии ферментов. Особые расплетающие белки последовательно как бы проходят вдоль системы водородных связей, соединяющих азотистые основания обеих полинуклеотидных цепей, и разрывают их. Образовавшиеся в результате одиночные полинуклеотидные цепи ДНК достраиваются согласно принципу комплиментарности с помощью фермента за счет свободных нуклеотидов, всегда находящихся в цитоплазме и ядре. Напротив гуанилового нуклеотида  становится свободный цитозиловый нуклеотид, а напротив цитозилового, в свою очередь, гуаниловый и так далее. Во вновь образовавшейся цепи возникают углеводно-фосфатные и водородные связи. Таким образом, в ходе самовоспроизведения ДНК из одной молекулы синтезируются две новые.

2. Характеристика ДНК  как носителя генетической информации

Можно отметить две основные характеристики ДНК как носителя генетической информации:

1) последовательность составляющих  ДНК элементов (нуклеотидов) имеет  индивидуальные особенности у  каждого отдельного животного  или растения, кроме идентичных (однояйцовых)  близнецов или клонированных  организмов;