Внутреннее ядро земли. Внутри ядра - вселенная в электроне Основные функции ядра в клетке

26. Пространственная организация интрфазных хромосом внутри ядра, эухроматин, гетерохроматин.

И интерфазного ядра в целом пространственная организация хромосом

В результате разработки методов получения препаратов метафазных хромосом стали возможными проведение анализа числа хромосом, описание их морфологии и размеров. Правда, физические размеры и морфология хромосомы на цитологических препаратах очень сильно

зависели от стадии митоза и условий приготовления соответствующего цитологического препарата. Прошло много лет, прежде чем было показано, что размеры и морфология хромосом в G2 стадии клеточного цикла мало отличаются от реальных митотических хромосом.

Развитие клеточной и молекулярной биологии сделало возможными визуализацию индивидуальных хромосом в интерфазном ядре, их

трехмерную микроскопию и даже идентификацию отдельных районов. Исследования в этом направлении были проведены как на фиксированной, так и на живых клетках. Оказалось, что длинные профазные и прометафазные хромосомы, хорошо знакомые биологам по цитологическим препаратам, представляют собой просто результат растяжения хромосом в процессе распластывания их на стекле. На более поздних стадиях митоза хромосомы более эффективно сопротивляются растяжению и сохраняют свои естественные размеры. В экспериментах на живых клетках используются разнообразные способы флюоресцентного мечения и 4D -микроскопия. Так, для прижизненных наблюдений за индивидуальными хромосомами флюоресцентную метку сначала вводили в ДНК всех хромосом культивируемых в клеток, а затем питательную среду заменяли на

свободную от флюорохромов, клеткам давали возможность пройти несколько клеточных циклов. В результате в культуре появлялись клетки.

Этим термином обозначают комплекс ядерной ДНК с белками (гистоны, негистоновые белки).

Различают гетеро- и эухроматин.

Гетерохроматин - транскрипционно неактивный, конденсированный хроматин интарфазного ядра. Располагается преимущественно по периферии ядра и вокруг ядрышек. Типичный пример гетерохроматина – тельце Барра.

Хотя в исторической ретроспективе он изучен хуже, чем эухроматин, новые открытия заставляют считать, что гетерохроматин играет критически важную роль в организации и правильном функционировании геномов, начиная с дрожжей и кончая человеком. Его потенциальное значение подчеркивается тем фактом, что 96% генома млекопитающих состоит из некодирующих и повторяющихся последовательностей. Новые открытия, касающиеся механизмов формирования гетерохроматина, выявили неожиданные вещи

Эухроматин – транскрипционно активная и менее конденсированная часть хроматина, локализуется в более светлых участках ядра между гетерохроматином, богатыегенами.Областьхромосомы, которая плохо окрашивается или не окрашивается вообще. Диффузна винтерфазе. Активнотранскрибируется. Эухроматин характеризуется меньшей по сравнению с гетерохроматином компактизацией ДНК, и в нем главным образом, как уже говорилось, локализуются активно экспрессирующиеся гены.

Эухроматин, или "активный" хроматин, состоит в основном из кодирующих последовательностей, составляющих лишь небольшую долю (менее 4%) генома млекопитающих.

Таким образом, собирательный термин "эухроматин" скорее всего обозначает сложное состояние (состояния) хроматина, охватывающее динамичную и сложную смесь механизмов, тесно взаимодействующих друг с другом и с хроматиновой фибриллой и предназначенных для осуществления транскрипции функциональных РНК.

Ядро клетки - центральный органоид, один из самых важных. Наличие его в клетке является признаком высокой организации организма. Клетка, имеющая оформленное ядро, называется эукариотической. Прокариоты - это организмы, состоящие из клетки, не имеющей оформленного ядра. Если подробно рассмотреть все его составляющие, то можно понять, какую функцию выполняет ядро клетки.

Структура ядра

1. Ядерная оболочка.
2. Хроматин.
3. Ядрышки.
4. Ядерный матрикс и ядерный сок.

Структура и функции ядра клетки зависят от типа клеток и их предназначения.

Ядерная оболочка

Ядерная оболочка имеет две мембраны - внешнюю и внутреннюю. Они разделены между собой перинуклеарным пространством. Оболочка имеет поры. Ядерные поры необходимы для того, чтобы различные крупные частицы и молекулы могли перемещаться из цитоплазмы в ядро и обратно.

Ядерные поры образуются в результате слияния внутренней и наружной мембраны. Поры представляют собой округлые отверстия, имеющие комплексы, в которые входят:

1. Тонкая диафрагма, закрывающая отверстие. Она пронизана цилиндрическими каналами.
2. Белковые гранулы. Они находятся с двух сторон от диафрагмы.
3. Центральная белковая гранула. Она связана с периферическими гранулами фибриллами.

Количество пор в ядерной оболочке зависит от того, насколько интенсивно в клетке проходят синтетические процессы.

Ядерная оболочка состоит из внешней и внутренней мембран. Внешняя переходит в шероховатый ЭПР (эндоплазматический ретикулум).

Хроматин

Хроматин - важнейшее вещество, входящее в ядро клетки. Функции его - это хранение генетической информации. Он представлен эухроматином и гетерохроматином. Весь хроматин - это совокупность хромосом.

Эухроматин - это части хромосом, которые активно принимают участие в транскрипции. Такие хромосомы находятся в диффузном состоянии.

Неактивные отделы и целые хромосомы представляют собой конденсированные глыбки. Это и есть гетерохроматин. При изменении состояния клетки гетерохроматин может переходить в эухроматин, и наоборот. Чем больше в ядре гетерохроматина, тем ниже скорость синтеза рибонуклеиновой кислоты (РНК) и тем меньше функциональная активность ядра.

Хромосомы

Хромосомы - это особые образования, которые возникают в ядре только во время деления. Хромосома состоит из двух плеч и центромеры. По форме их делят на:

• Палочкообразные. Такие хромосомы имеют одно большое плечо, а другое маленькое.
• Равноплечные. Имеют относительно одинаковые плечи.
• Разноплечные. Плечи хромосомы зрительно отличаются между собой.
• С вторичными перетяжками. У такой хромосомы имеется нецентромерная перетяжка, которая отделяет спутничный элемент от основной части.

У каждого вида количество хромосом всегда одинаково, но стоит отметить, что от их количества не зависит уровень организации организма. Так, у человека имеется 46 хромосом, у курицы - 78, у ежа - 96, а у березы - 84. Наибольшее число хромосом имеет папоротник Ophioglossum reticulatum. У него 1260 хромосом на каждую клетку. Наименьшее число хромосом имеет самец-муравей вида Myrmecia pilosula. У него только 1 хромосома.

Именно изучив хромосомы, ученые поняли, каковы функции ядра клетки.

В состав хромосом входят гены.

Ген

Гены - это участки молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в которых закодированы определенные составы молекул белка. В результате этого у организма проявляется тот или иной признак. Ген передается по наследству. Так, ядро в клетке выполняет функцию передачи генетического материала следующим поколениям клеток.

Ядрышки

Нуклеола - это самая плотная часть, которая входит в ядро клетки. Функции, которые она выполняет, очень важны для всей клетки. Обычно имеет округлую форму. Количество ядрышек варьируется в разных клетках - их может быть два, три либо вооще не быть. Так, в клетках дробящихся яиц нуклеолы нет.

Структура ядрышка:

1. Гранулярный компонент. Это гранулы, которые находятся на периферии ядрышка. Их размер варьируется от 15 нм до 20 нм. В некоторых клетках ГК может быть равномерно распределен по всему ядрышку.
2. Фибриллярный компонент (ФК). Это тонкие фибриллы, размером от 3 нм до 5 нм. Фк представляет собой диффузную часть ядрышка.

Фибриллярные центры (ФЦ) - это участки фибрилл, имеющие низкую плотность, которые, в свою очередь, окружены фибриллами с высокой плотностью. Химический состав и строение ФЦ почти такие же, как и у ядрышковых организаторов митотических хромосом. В их состав входят фибриллы толщиной до 10 нм, в которых есть РНК-полимераза I. Это подтверждается тем, что фибриллы окрашиваются солями серебра.

Структурные типы ядрышек

1. Нуклеолонемный или ретикулярный тип. Характеризуется большим количеством гранул и плотного фибриллярного материала. Данный тип структуры ядрышка характерен для большинства клеток. Его можно наблюдать как в животных клетках, так в растительных.
2. Компактный тип. Характеризуется небольшой выраженностью нуклеономы, большим количеством фибриллярных центров. Встречается в растительных и животных клетках, в которых активно происходит процесс синтеза белка и РНК. Этот тип ядрышек характерен для клеток, активно размножающихся (клетки культуры ткани, клетки растительных меристем и др.).
3. Кольцевидный тип. В световой микроскоп данный тип виден как кольцо со светлым центром - фибриллярный центр. Размер таких ядрышек в среднем 1 мкм. Данный тип характерен только для животных клеток (эндотелиоциты, лимфоциты и др.). В клетках с таким типом ядрышек довольно низкий уровень транскрипции.
4. Остаточный тип. В клетках этого типа ядрышек не происходит синтез РНК. При определенных условиях данный тип может переходить в ретикулярный или компактный, т. е. активироваться. Такие ядрышки характерны для клеток шиповатого слоя кожного эпителия, нормобласта и др.
5. Сегрегированный тип. В клетках с этим типом ядрышек не происходит синтез рРНК (рибосомной рибонуклеиновой кислоты). Это происходит, если клетка обработана каким-либо антибиотиком или химическим веществом. Слово «сегрегация» в данном случае обозначает «разделение» или «обособление», так как все компоненты ядрышек разделяются, что приводит к его уменьшению.

Почти 60% сухого веса ядрышек приходится на белки. Их количество очень велико и может достигать нескольких сотен.

Главная функция ядрышек - это синтез рРНК. Зародыши рибосом попадают в кариоплазму, затем через поры ядра просачиваются в цитоплазму и на ЭПС.

Ядерный матрикс и ядерный сок

Ядерный матрикс занимает почти все ядро клетки. Функции его специфичны. Он растворяет и равномерно распределяет все нуклеиновые кислоты в состоянии интерфазы.

Ядерный матрикс, или кариоплазма, - это раствор, в состав которого входят углеводы, соли, белки и другие неорганические и органические вещества. В нем содержатся нуклеиновые кислоты: ДНК, тРНК, рРНК, иРНК.

В состоянии деления клетки ядерная оболочка растворяется, образуются хромосомы, а кариоплазма смешивается с цитоплазмой.

Основные функции ядра в клетке

1. Информативная функция. Именно в ядре находится вся информация о наследственности организма.
2. Функция наследования. Благодаря генам, которые расположены в хромосомах, организм может передавать свои признаки из поколения в поколение.
3. Функция объединения. Все органоиды клетки объединены в одно целое именно в ядре.
4. Функция регуляции. Все биохимические реакции в клетке, физиологические процессы регулируются и согласуются ядром.

Один из самых важных органоидов - ядро клетки. Функции его важны для нормальной жизнедеятельности всего организма.

Предполагать, что внутри Земли находится твердое и горячее ядро, ученые начали очень давно, выдвигая различные гипотезы происхождения планеты. Однако лишь недавно исследователи сумели точно установить, что ядро неоднородно, внешняя часть его имеет жидкую структуру, а под ней располагается твердое вещество. Радиус по самым приблизительным подсчетам составляет 1300 км.

Из чего состоит твердая часть ядра?

На этот вопрос наука может отвечать только гипотезами и предположениями, так как современная техника не позволяет взять непосредственные пробы. Впервые существование внутреннего ядра доказала Инге Леманн, геофизик из Дании, путем анализа сейсмических волн и других геологических процессов. Предполагается, что оно постепенно кристаллизуется и увеличивается за счет остывающего вещества наружного слоя, однако скорость этого увеличения не превышает 1 мм в год.

О составе ядра можно судить на основе изучения метеоритов, так как эти космические тела представляют собой фрагменты ядер астероидов или других планет. Метеориты в основном состоят из сплавов железа и никеля, поэтому большинство ученых считает, что именно эти элементы лежат в основе твердого ядра. Однако космические объекты являются осколками небесных тел меньших по размеру, чем наша планета. Это значит, что химический состав может отличаться.

Менее распространенная точка зрения говорит о том, что ядро не имеет кристаллической структуры, а находится в аморфном состоянии. Его твердость в этом случае обусловлена очень высоким давлением, ведь плотность вещества внутри ядра, по подсчетам, составляет около 13,1 г/см3. Часть ученых говорит о том, что в составе ядра большое место занимают азот и сера. Единой точки зрения по этому вопросу, скорее всего, не появится еще очень долго.

Физические свойства внутреннего ядра

Компьютерные модели и лабораторные эксперименты позволили ученым представить, что происходит в самом центре нашей планеты, и объяснить некоторые загадки, например, феномен возникновения магнитного поля. Сейчас доказано, что внешнее и внутреннее ядро вращаются, причем в противоположные стороны. Скорость этого вращения постепенно меняется вместе с направлением, так что, возможно, через несколько тысячелетий северный и южный полюс могут поменяться местами.

Температура внутреннего ядра приближается к температуре поверхности Солнца и составляет около 6000 градусов по Цельсию. При кристаллизации тепло выделяется во внешние оболочки, обеспечивая геодинамику. Сейсмическое зондирование позволило установить, что скорость тектонических волн может отличаться, что приводит к изменениям всех слоев Земли. Знания об устройстве ядра необходимы не только геофизикам, но и сейсмологам, чтобы появилась возможность точно предугадывать, а то и предотвращать землетрясения.

Внутреннее ядро земли ждет новых открытий и экспериментов, которые позволят точно установить его состав и спрогнозировать будущее нашей планеты.

Следующая лекция, которую посетил мистер Томпкинс, была посвящена внутреннему строению ядра как центра, вокруг которого вращаются атомные электроны.

Леди и джентльмены, - начал профессор. - Все более углубляясь в строение материи, мы попытаемся теперь проникнуть нашим мысленным взором внутрь ядра, в загадочную область, занимающую лишь одну тысячную от миллиардной доли общего объема атома. И все же, несмотря на столь невероятно малые размеры новой области наших иссследований, мы обнаружили в ней самую оживленную деятельность. Ведь атомное ядро - сердце атома, и именно в нем, несмотря на сравнительно малые размеры, сосредоточено 99,97% всей массы атома.

Вступая в область атомного ядра после сравнительно бедно населенной электронной атмосферы атома, мы сразу же будем поражены ее необычной перенаселенностью. Если электроны атомной атмосферы движутся в среднем на расстояниях, превышающих их собственный диаметр примерно в несколько тысяч раз, то частицы, живущие внутри ядра, буквально теснились бы плечом к плечу, будь у них плечи. В этом смысле картина, которая открывается нам внутри ядра, очень напоминает картину обыкновенной жидкости с тем лишь различием, что внутри ядра мы вместо молекул встречаем гораздо более мелкие и гораздо более элементарные частицы, известные под названием протоны и нейтроны . Уместно заметить, что, несмотря на различные имена, протоны и нейтроны можно рассматривать просто как два различных зарядовых состояния одной и той же тяжелой элементарной частицы, известной под названием нуклон. Протон представляет собой положительно заряженный нуклон, нейтрон - электрически нейтральный нуклон. Не исключена возможность, что существуют также отрицательно заряженные нуклоны, хотя их пока никто не наблюдал. Что касается их геометрических размеров, нуклоны не слишком отличаются от электронов: диаметр нуклона составляет около 0,000 000 000 0001 см. Однако нуклоны гораздо тяжелее: на чашках весов протон или нейтрон можно уравновесить 1840 электронами. Как я уже говорил, частицы, образующие атомное ядро, упакованы очень плотно и это объясняется действием особых ядерных сил сцепления , аналогичных силам, действующим между молекулами в жидкости. Так же как в жидкости силы ядерного сцепления не дают нуклонам полностью отделиться друг от друга, но не мешают относительным перемещениям нуклонов. Таким образом, ядерная материя в какой-то степени обладает текучестью и, не будучи возмущаема внешними силами, принимает форму сферической капли, как обычная капля жидкости. На схеме, которую я вам сейчас покажу, условно изображены различные типы атомных ядер, образованных из протонов и нейтронов. Простейшее ядро водорода состоит всего лишь из одного протона, в то время как самое сложное ядро урана состоит из 92 протонов и 142 нейтронов. Разумеется, разглядывая эти картинки, не следует упускать из виду, что перед вами лишь весьма условные изображения реальных ядер, поскольку в силу фундаментального принципа неопределенности квантовой теории положение каждого нуклона в действительности «размазано» по всему объему ядра.

Как я уже упоминал, частицы, образующие атомное ядро, удерживаются вместе мощными силами сцепления, но помимо этих сил притяжения существуют также силы другого рода, действующие в противоположном направлении. Действительно, протоны, на долю которых приходится примерно половина нуклонного населения, несут положительный заряд. Следовательно, между ними действуют силы отталкивания - так называемые кулоновские силы. Для легких ядер, электрический заряд которых сравнительно мал, это кулоновское отталкивание не имеет особого значения, но в более тяжелых ядрах с бо льшим электрическим зарядом кулоновские силы начинают составлять серьезную конкуренцию силам ядерного сцепления. Как только это произойдет, ядро утрачивает стабильность и может испустить какие-нибудь из составляющих его частиц. Именно так ведут себя некоторые элементы, расположенные в самом конце Периодической системы и известные под названием радиоактивные элементы .

Из приведенных выше общих соображений вы можете заключить, что такие тяжелые нестабильные ядра должны испускать протоны, так как нейтроны не несут никакого электрического заряда, и поэтому на них не действуют силы кулоновского отталкивания. Однако, как показывают эксперименты, некоторые радиоактивные ядра испускают так называемые альфа-частицы (ядра гелия), т. е. сложные образования, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Объясняется это особой группировкой частиц, образующих атомное ядро. Дело в том, что комбинация двух протонов и двух нейтронов, образующая альфу-частицу, отличается повышенной стабильностью, и поэтому легче оторвать такую группу целиком, чем разделить ее на отдельные протоны и нейтроны.

Как вы, вероятно, знаете, явление радиоактивного распада было впервые открыто французским физиком Анри Беккерелем, а знаменитый британский физик лорд Резерфорд, чье имя я уже упоминал в другой связи, которому наука столь многим обязана за его важные открытия в физике атомного ядра, предложил объяснение радиоактивного распада как спонтанного, т. е. самопроизвольного, распада атомного ядра на части.

Одна из наиболее замечательных особенностей альфа-распада состоит в иногда необычайно долгих периодах времени, необходимых альфа-частицам, чтобы «выбраться» из атомного ядра на свободу. Для урана и тория этот период составляет, по оценкам, миллиарды лет, для радия - около шестнадцати столетий, и хотя существуют элементы, для которых альфа-распад происходит в доли секунды, продолжительность их жизни можно также считать очень долгой по сравнению с быстротой их внутриядерного движения.

Что же заставляет альфа-частицу оставаться внутри ядра на протяжении иногда многих миллиардов лет? И если альфа-частица так долго находится внутри ядра, то что заставляет ее все же покинуть его?

Для ответа на эти вопросы нам необходимо предварительно узнать немного больше о сравнительной интенсивности сил внутриядерного сцепления и электростатических сил отталкивания, действующих на частицу, которая покидает атомное ядро. Тщательное экспериментальное изучение этих сил было проведено Резерфордом, который воспользовался методом так называемой атомной бомбардировки . В своих знаменитых экспериментах, выполненных в Кавендишской лаборатории, Резерфорд направлял пучок быстро движущихся альфа-частиц, испускаемых каким-нибудь радиоактивным веществом, на мишень и наблюдал отклонения (рассеяние) этих атомных снарядов при столкновении их с ядрами бомбардируемого вещества. Эксперименты Резерфорда убедительно показали, что на больших расстояниях от атомного ядра альфа-частицы испытывали сильное отталкивание электрическими силами заряда ядра, но отталкивание сменялось сильным притяжением в тех случаях, когда альфа-частицы пролетали вплотную от внешних границ ядерной области. Вы можете сказать, что атомное ядро в какой-то мере аналогично крепости, окруженной со всех сторон высокими крутыми стенами, не позволяющими частицам ни попасть внутрь, ни бежать наружу. Но самый поразительный результат экспериментов Резерфорда состоял в установлении следующего факта: альфа-частицы , вылетающие из ядра при радиоактивном распаде или проникающие внутрь ядра при бомбардировке извне, обладают меньшей энергией, чем требовалось бы для преодоления высоты стен крепости, или потенциального барьера , как мы обычно говорим. Это открытие Резерфорда полностью противоречило всем фундаментальным представлениям классической механики. В самом деле, как можно ожидать, что мяч перекатится через вершину холма, если вы бросили его с энергией, недостаточной для подъема на вершину холма? Классическая физика могла лишь широко раскрыть глаза от удивления и высказать предположение о том, что в эксперименты Резерфорда где-то вкралась какая-то ошибка.

Но в действительности никакой ошибки не было, и если кто-нибудь и ошибался, то не лорд Резерфорд, а… классическая механика! Ситуацию прояснили одновременно мой добрый друг доктор Гамов и доктора Рональд Герней и Э. У. Лондон. Они обратили внимание на то, что никаких трудностей не возникает, если подойти к проблеме с точки зрения современной квантовой теории. Действительно, как мы знаем, современная квантовая физика отвергает четко определенные траектории-линии классической теории и заменяет их расплывчатыми призрачными следами. Подобно тому, как доброе старомодное привидение могло без труда проходить сквозь толстые каменные стены старинного замка, так призрачные траектории могут проникать сквозь потенциальные барьеры, которые с классической точки зрения казались совершенно непроницаемыми.

Не думайте, пожалуйста, будто я шучу: проницаемость потенциальных барьеров для частиц с недостаточной энергией является прямым математическим следствием из фундаментальных уравнений новой квантовой механики и служит весьма убедительной иллюстрацией одного из наиболее существенных различий между старыми и новыми представлениями о движении. Но хотя новая механика допускает столь необычные эффекты, она делает это только при весьма сильных ограничениях: в большинстве случаев вероятность пересечения барьера чрезвычайно мала, и попавшей в темницу ядра частице придется невероятно большое число раз бросаться на стены, прежде чем ее попытки выбраться на свободу увенчаются успехом. Квантовая теория дает нам точные правила для вычисления вероятности такого побега. Было показано, что наблюдаемые периоды альфа-распада находятся в полном соответствии с предсказаниями теории. В случае альфа-частиц, бомбардирующих атомное ядро извне, результаты квантово-механических расчетов находятся в великолепном соответствии с экспериментом.

Прежде чем я продолжу свою лекцию, мне хотелось бы показать вам некоторые фотографии процессов распада различных ядер, бомбардируемых атомными снарядами высокой энергии (первый слайд, пожалуйста!).

На этом слайде (см. рис. на с. 174) вы видите два различных распада, сфотографированных в пузырьковой камере, о которой я говорил в своей предыдущей лекции. На снимке (А) вы видите столкновение ядра азота с быстрой альфа-частицей. Это первый из когда-либо сделанных снимков искусственной трансмутации (превращения) элементов. Этим снимком мы обязаны ученику лорда Резерфорда Патрику Блэккету. Отчетливо видно большое число треков альфа-частиц, испускаемых мощным источником альфа-частиц. Большинство альфа-частиц пролетают все поле зрения, не претерпевая ни одного серьезного столкновения. Трек альфа-частиц останавливается вот здесь, и вы видите, как из точки столкновения выходят два других трека. Длинный тонкий трек принадлежит протону, выбитому из ядра азота, в то время как короткий толстый трек соответствует отдаче самого ядра. Но это более уже не ядро азота, поскольку, потеряв протон и поглотив налетевшую альфа-частицу, ядро азота превратилось в ядро кислорода. Таким образом, мы становимся свидетелями алхимического превращения азота в кислород с водородом в качестве побочного продукта.

На снимках (Б), (В) вы видите распад ядра при столкновении с искусственно ускоренным протоном. Пучок быстрых протонов создается специальной машиной, работающей под высоким напряжением и известной публике под названием «атомная дробилка», и поступает в камеру через длинную трубку, конец которой виден на снимках. Мишень, в данном случае тонкий слой бора, помещается у открытого конца трубки с таким расчетом, чтобы осколки ядра, возникшие при столкновении, должны были пролетать сквозь воздух в камере, образуя туманные треки. Как вы видите на снимке (В), ядро бора при столкновении с протоном, распадается на три части, и, с учетом сохранения электрического заряда, мы приходим к заключению, что каждый из осколков деления представляет собой альфа-частицу, т. е. ядро гелия. Эти два ядерных превращения представляют весьма типичные примеры нескольких сотен других ядерных превращений, исследованных современной экспериментальной физикой. Во всех превращениях такого рода, известных под названием ядерные реакции замещения , налетающая частица (протон, нейтрон или альфа-частица) проникает в ядро, выбивает какую-то другую частицу и остается на ее месте. Существует замещение протона альфа-частицей, альфа-частицы протоном, протона нейтроном и т.д. Во всех таких превращениях новый элемент, образовавшийся в результате реакции, является близким соседом бомбардируемого элемента в Периодической системе.

Но лишь сравнительно недавно, перед второй мировой войной, два немецких химика О. Ган и Ф. Штрассман открыли совершенно новый тип ядерного превращения, в котором тяжелое ядро распадается на две равные половины с высвобождением огромного количества энергии . На следующем слайде (следующий слайд, пожалуйста!) вы видите (см. с. 175) на снимке (Б) два осколка ядра урана, разлетающихся в разные стороны от тонкой урановой проволочки. Это явление, получившее название расщепление ядра , впервые наблюдалось при бомбардировке урана пучком нейтронов, но вскоре физики обнаружили, что и другие элементы, расположенные в конце Периодической системы, обладают аналогичными свойствами. Эти тяжелые ядра уже находятся у порога своей стабильности и малейшее возмущение, вызываемое столкновением с нейтроном, достаточно, чтобы они распались на два осколка, как распадается на части чрезмерно крупная капля ртути. Нестабильность тяжелых ядер проливает свет на вопрос о том, почему в природе существует только 92 элемента. Любое ядро тяжелее урана не может существовать сколько-нибудь продолжительное время и немедленно распадается на более мелкие осколки. Явление расщепления ядра представляет немалый интерес и с практической точки зрения, так как открывает определенные возможности для использования ядерной энергии. Дело в том, что при распаде ядра на две половинки из ядра вылетает несколько нейтронов, которые могут вызвать расщепление соседних ядер. Дальнейшее распространение такого процесса может привести к взрывной реакции, при которой вся энергия, запасенная в ядрах, высвобождается за малую долю секунды. Если вспомнить, что ядерная энергия, хранящаяся в одном фунте урана, эквивалентна энергетическому содержанию десяти тонн угля, то станет ясно, что возможность высвобождения ядерной энергии могла бы вызвать глубокие перемены в нашей экономике.

Однако все эти ядерные реакции могут быть осуществлены лишь в очень малом масштабе, и, хотя они позволяют нам получить богатейшую информацию о внутреннем строении ядра, вплоть до сравнительно недавнего времени не было ни малейшей надежды на то, что удастся высвободить огромное количество ядерной энергии. И лишь в 1939 г. немецкие химики О. Ган и Ф. Штрассман открыли совершенно новый тип ядерного превращения: тяжелое ядро урана при столкновении с одним-единственным нейтроном распадается на две примерно равные части с высвобождением огромного количества энергии и вылетом двух или трех нейтронов, которые в свою очередь могут столкнуться с ядрами урана и расщепить каждое из них на две части с высвобождением новой энергии и новых нейтронов. Цепной процесс, деления ядер урана может приводить к взрывам или, если сделать его управляемым, стать почти неисчерпаемым источником энергии. Счастлив сообщить вам, что доктор Таллеркин, принимавший участие в работах по созданию атомной бомбы и известный также как отец водородной бомбы, любезно согласился прибыть к нам, несмотря на свою чрезвычайную занятость, и выступить с коротким сообщением о принципах устройства ядерных бомб. Мы ожидаем его прибытия с минуты на минуту.

Едва профессор успел произнести эти слова, как дверь отворилась и в аудиторию вошел человек весьма внушительного вида с горящими глазами и нависшими кустистыми бровями. Обменявшись с профессором рукопожатиями, человек обратился к аудитории:

Hoolgyeim es Uraim, - начал он. - Roviden kell beszelnem, mert nagyon sok a dolglom. Ma reggel tubb megbeszelesem volt a Pentagonban es a Feher Hazban. Delutan… О, прошу прощения! - воскликнул незнакомец. - Иногда я путаю языки. Позвольте мне начать еще раз.

Леди и джентльмены! Я буду краток, поскольку очень занят. Сегодня утром я присутствовал на нескольких совещаниях в Пентагоне и в Белом доме, а днем мне необходимо быть в Френч Флэте, штат Невада, где предстоит провести подземный взрыв. Вечером я должен произнести речь на банкете, который состоится на базе ВВС США Ванденберг в Калифорнии.

Теперь о главном. Дело в том, что в атомных ядрах поддерживается равновесие между силами двоякого рода - ядерными силами притяжения, которые стремятся удержать ядро в целости, и электрическими силами отталкивания между протонами. В тяжелых ядрах, таких как ядра урана или плутония, силы отталкивания преобладают, и ядра при малейшем возмущении готовы распасться на два осколка - продукты деления. Таким возмущением может быть один-единственный нейтрон, сталкивающийся с ядром.

Обернувшись к доске, гость продолжал:

Вот делящееся ядро, а вот сталкивающийся с ним нейтрон. Два осколка деления разлетаются в стороны, и каждый из них уносит около одного миллиона электрон-вольт энергии. Кроме того, распадаясь, ядро выстрелило несколькими новыми нейтронами деления (обычно их бывает два в случае легкого изотопа урана и три в случае плутония). Реакция - бац, бац! - продолжается, как я изобразил здесь на доске. Если кусок делящегося материала мал, то бо льшая часть нейтронов деления вырывается из его поверхности прежде, чем они имеют шанс столкнуться с другим делящимся ядром, и цепная реакция так и не начинается. Но если кусок делящегося материала имеет достаточно большие размеры (мы называем такой кусок критической массой), дюйма три-четыре в диаметре, то большинство нейтронов оказываются захваченными, и вся эта штука взрывается. Такое устройство мы называем бомбой деления (в печати ее довольно часто неправильно называют атомной бомбой).

Гораздо лучших результатов можно достичь, если обратиться к другому концу Периодической системы элементов, где ядерные силы превосходят электрическое отталкивание. Когда два легких ядра приходят в соприкосновение, они сливаются, как две капельки ртути на блюдечке. Такое слияние может произойти только при очень высокой температуре, так как электрическое отталкивание - мешает легким ядрам сблизиться и прийти в соприкосновение. Но когда температура достигает десятков миллионов градусов, электрическое отталкивание уже не в силах помешать сближению атомов и процесс слияния, или термоядерного синтеза, начинается. Наиболее подходящими ядрами для термоядерного синтеза являются дейтроны, т. е. ядра атомов тяжелого водорода. Справа на доске я изобразил простую схему термоядерной реакции в дейтерии. Когда мы впервые придумали водородную бомбу, нам казалось, что она станет благословением для всего мира, так как при ее взрыве не образуются радиоактивные продукты деления, которые потом разносятся по всей земной атмосфере. Но нам не удалось создать «чистую» водородную бомбу, потому что дейтерий, лучшее ядерное топливо, которое легко извлекается из морской воды, недостаточно хорошо горит сам по себе. Нам пришлось окружить дейтериевую сердцевину урановой оболочкой. Такие оболочки порождают множество осколков деления, и люди прозвали нашу конструкцию «грязной» водородной бомбой. Аналогичные трудности возникли и при проектировании управляемой термоядерной реакции с дейтерием и, несмотря на все усилия, нам так и не удалось осуществить ее. Но я уверен, что рано или поздно проблема управляемого термоядерного синтеза будет решена.

Доктор Таллеркин, - спросил кто-то из аудитории, - могут ли осколки деления ядер при испытаниях грязной водородной бомбы вызвать опасные для здоровья человека мутации у населения всего земного шара?

Не все мутации вредны, - улыбнулся доктор Таллеркин. - Некоторые мутации способствуют улучшению наследственности. Если бы в живых организмах не происходили мутации, то и вы, и я все еще были бы амебами. Разве вы не знаете, что эволюция жизни на Земле происходит исключительно благодаря мутациям и выживанию наиболее приспособленных мутантов?

Уж не хотите ли вы сказать, - истерически закричала какая-то женщина в аудитории, - что мы должны рожать детей дюжинами и, отобрав наилучших, умервщлять остальных?

Видите ли… - начал доктор Таллеркин, но в этот момент дверь отворилась и в аудиторию вошел человек в летной форме.

Поторапливайтесь, сэр! - скороговоркой доложил он. - Ваш вертолет припаркован у входа и, если мы не вылетим сейчас же, вы не сможете вовремя прибыть в аэропорт, где вас ожидает специальный реактивный самолет!

Прошу меня извинить, - обратился доктор Таллеркин к аудитории, - но мне пора идти. Isten veluk!

И они оба, доктор Таллеркин и пилот, поспешили из аудитории.

19632 0

Используя тонкое сочетание ускорителей частиц, рентгеновских лучей, высокоинтенсивных лазеров, алмазов и атомов железа, учёные сумели вычислить температуру внутреннего ядра нашей планеты.

Согласно новым подсчётам, она составляет 6000 градусов по Цельсию, что на тысячу градусов выше, чем считалось ранее.

Таким образом, ядро планеты Земля имеет более высокую температуру, чем поверхность Солнца.

Новые данные могут повлечь за собой переосмысление считавшимися непреложными фактов в таких областях знания, как геофизика, сейсмология, геодинамика и других ориентированных на изучение планеты дисциплинах.

Если смотреть с поверхности вглубь, Земля состоит из коры, твёрдой верхней мантии, далее по большей части твёрдой мантии, внешнего ядра из расплавленного железа и никеля и внутреннего ядра из твёрдого железа и никеля. Внешнее ядро находится в жидком состоянии по причине высоких температур, но более высокое давление во внутреннем ядре препятствует расплавлению породы.

Расстояние от поверхности до центра Земли составляет 6371 км. Толщина коры равняется 35 км, мантии 2855 км; на фоне таких расстояний Кольская сверхглубокая скважина глубиной 12 км выглядит сущим пустяком. По существу, о том, что происходит под корой, достоверно нам ничего не известно. Все наши данные основаны на сейсмических волнах землетрясений, отражающихся от различных слоёв Земли, и жалких крох, попадающих на поверхность из глубины, как вулканическая магма.

Естественно, учёные с превеликим удовольствием пробурили бы скважину до самого ядра, но с нынешним уровнем развития технологий осуществление этой задачи не представляется возможным. Уже на двенадцати километрах бурение Кольской скважины пришлось прекратить, так как температура на такой глубине составляет 180 градусов.

На пятнадцати километрах температура прогнозируется на уровне в 300 градусов, и при ней современные буровые установки работать не смогут. И уж тем более сейчас и близко нет технологий, которые дали бы возможность вести бурение в мантии, в диапазоне температур 500-4000 градусов. Не стоит забывать и о практичной стороне дела: за пределами коры нет нефти, так что инвестировать в попытку создания подобных технологий желающих может и не найтись.

Чтобы вычислить температуру во внутреннем ядре, французские исследователи сделали всё возможное для воссоздания сверхвысоких температур и давления ядра в лабораторных условиях. Имитация давления является самой сложной задачей: на такой глубине оно достигает значения 330 гигапаскалей, что в три миллиона раз превышает атмосферное давление.

Чтобы решить её, использовалась ячейка с алмазными наковальнями. Она представляет собой два алмаза конической формы, которые воздействуют на материал с двух сторон на площади диаметром менее миллиметра; таким образом, на образец железа оказывалось давление в 200 гигапаскалей. Затем железо нагревалось при помощи лазера, подвергалось дифракционному анализу рентгеновскими лучами для наблюдения перехода от твёрдого к жидкому состоянию при таких кондициях. Наконец, учёные внесли поправки в полученные результаты для давления в 330 гигапаскалей, получив температуру покрытия внутреннего ядра 5957 плюс-минус 500 градусов. Внутри самого ядра она, по всей видимости, ещё выше.

Почему же переосмысление температуры ядра планеты имеет большое значение?

Магнитное поле Земли генерируется именно ядром и влияет на множество событий, происходящих на поверхности планеты - например, удерживает атмосферу на месте. Знание, что температура ядра на тысячу градусов выше, чем считалось ранее, пока не даёт никаких практических областей применения, но может пригодиться в будущем. Новое значение температуры будет использоваться в новых сейсмологических и геофизических моделях, которые в будущем вполне могут привести к серьезным научным открытиям. По большому же счёту, более полная и точная картина окружающего мира ценна для учёных сама по себе.

Константин Моканов