Учёные сделали уникальный снимок одного-единственного атома

Клетка и ее размножение

Строение клетки. Если рассмотреть под микроскопом тонкий срез, взятый из любого органа человека, то можно увидеть, что наше тело, подобно животным и растительным организмам, имеет клеточное строение.

До недавнего времени клетку изучали с помощью светового микроскопа, дающего увеличение до двух тысяч раз. Hо после того как был сконструирован электронный микроскоп, позволяющий достигать увеличения до миллиона раз, исследователи начали проникать в тончайшие детали чрезвычайно сложного строения клетки.

Познакомьтесь по рисунку 9 со строением клетки под электронным микроскопом.

Рис. 9

С помощью светового микроскопа было установлено, что основные части клетки — это цитоплазма (1) и ядро (2), внутри которого находится одно или несколько ядрышек (3). И цитоплазма и ядро вязкие, полужидкие.

Цитоплазма одета снаружи тончайшей, состоящей всего из нескольких слоев молекул оболочкой — наружной мембраной (4). Она различима только в электронный микроскоп. Используя его, удалось обнаружить также ядерную оболочку (5) и ознакомиться с ее строением, изучить расположенные в цитоплазме мельчайшие структуры клетки — органоиды, выполняющие в ней определенные функции. К числу органоидов принадлежат тончайшие канальцы (6), образующие в цитоплазме сеть, митохондрии (7), рибосомы (8). В цитоплазме находится также различимое при помощи обычного микроскопа тельце — клеточный центр (9).

Живая клетка — это очень сложная система. В ее органоидах совершаются разные жизненные процессы. В одних органоидах происходит образование веществ клеток. В других органоидах вещества клеток химически изменяются, окисляются. Так, в рибосомах образуются белки клетки, а в митохондриях происходит окисление клеточных веществ.

Находящиеся в цитоплазме вещества постоянно перемещаются. В этом перемещении определенную роль играет диффузия. Кроме того, полужидкая цитоплазма медленно движется внутри клетки. Вместе с нею движутся и органоиды. Наконец, многие вещества проникают из ядра в цитоплазму и из цитоплазмы в ядро.

Во время деления клеток в их ядрах становятся видимыми нитевидные образования — хромосомы. Для каждого вида растений и животных характерно определенное количество и форма хромосом в любой клетке тела. В клетках человека по 46 хромосом (рис. 10 ).

Рис. 10

Размножение клеток. Как и у большинства животных и растений, клетки в организме человека размножаются в основном непрямым делением пополам. Это очень сложный процесс. Проследим его по схеме на рисунке 11. (Для упрощения схематического рисунка на нем вместо 46 хромосом показано всего 6.)

Рис. 11

В промежутках между делениями клеток хромосомы в ядрах настолько тонки, что неразличимы даже в электронный микроскоп. Перед началом деления клетки (1) каждая из 46 хромосом ее ядра удваивается — достраивается за счет находящихся в ядре веществ.

В клетке происходят и некоторые другие изменения: клеточный центр разделяется надвое (2); между обеими его частями в цитоплазме появляются тончайшие туго натянутые нити (2, 3). Затем удвоившиеся хромосомы ядра сильно утолщаются, укорачиваются и становятся ясно различимыми под микроскопом (3). Ядерная оболочка растворяется. На следующей стадии деления части клеточного центра расходятся к полюсам клетки, а удвоенные хромосомы располагаются в плоскости ее экватора (4). Затем образовавшиеся в результате удвоения хромосомы начинают расходиться к полюсам клетки, и в каждой ее половине оказывается по 46 хромосом (5).

Хромосомы сближаются друг с другом, вокруг них образуется ядерная оболочка. Одновременно с этим на границе двух новых клеток формируется клеточная мембрана, а на цитоплазме появляется перетяжка (6), которая постепенно углубляется. Наконец цитоплазма разделяется полностью, а хромосомы сильно утончаются и превращаются в длинные нити (7).

Так завершается клеточное деление: из одной клетки образуются две. В ядрах новых клеток находится по 46 хромосом, таких же, как в той, которая дала им начало.

Хромосомы являются носителями наследственных задатков организма, передающихся от родителей потомству.

■ Органоиды. Хромосомы.

? 1. Какие части клетки можно обнаружить с помощью светового микроскопа? 2. Какие детали строения клетки удалось рассмотреть с помощью электронного микроскопа? 3. Где располагаются хромосомы? 4. Сколько хромосом содержится в каждой клетке тела человека? 5. Какие органоиды клетки вам известны? 6. Как происходит непрямое деление клетки ?

Что такое процесс Брейта-Уилера?

Процессом Брейта-Уилера исследователи называют простейшую реакцию, с помощью которой свет можно превратить в вещество. В 1934 году Грегори Брейт и Джон А. Уилер разработали теорию процесса электрон-позитронной пары при столкновении двух фотонов. Полученные выводы ученые опубликовали в научном журнале Physical Review.

Однако, несмотря на удивительные выводы исследователей, они не предполагали реальной демонстрации процесса. Все потому, что в те годы способа придать фотону необходимую энергию попросту не существовало. Хотя процесс является одним из проявлений эквивалентности массы и энергии, в 2014 году команда исследователей пришла к выводу, что процесс Брейта-Уилера никогда не наблюдался на практике из-за сложности фокусировки встречных гамма-лучей.

Свет можно преобразовать в материю. Кто бы мог подумать?

Но прямое наблюдение чистого явления, включающего всего два фотона, оставалось неуловимым, главным образом потому, что фотоны должны быть чрезвычайно энергичными, а у ученых нет технологии для создания гамма-лазера. Но физики из Брукхейвенской национальной лаборатории говорят, что нашли способ обойти этот камень преткновения с помощью релятивистского коллайдера тяжелых ионов (RHIC) – он, в конечном итоге, позволил физикам наблюдать процесс Брейта-Уилера в действии.

[править] Общая характеристика строения атома

Современные представления о строении атома базируются на квантовой механике. На популярном уровне строение атома можно изложить в рамках волновой модели, которая опирается на модель Бора и дополнительные заявления квантовой механики.

  • Атомы состоят из элементарных частиц (протонов, электронов, и нейтронов). Масса атома в основном сосредоточена в ядре, поэтому большая часть объема относительно пуста. Ядро окружено электронами. Количество электронов равно количеству протонов в ядре, количество протонов определяет порядковый номер элемента в периодической системе. В нейтральном атоме суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду протонов. Атомы одного элемента с разным количеством нейтронов называются изотопами.
  • В центре атома находится крошечное, положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и нейтронов.

Ядро атома примерно в 100 000 раз меньше, чем сам атом. Таким образом, если увеличить атом до размеров аэропорта Борисполь, размер ядра будет меньше размера шарика для настольного тенниса.

  • Ядро окружено электронным облаком, которое занимает большую часть его объема. В электронном облаке можно выделить оболочки, для каждой из которых существует несколько возможных орбиталей. Заполненные орбитали составляют электронную конфигурацию, характерную для каждого химического элемента.
  • Каждая орбиталь может содержать до двух электронов, характеризующихся тремя квантовыми числами: основным, орбитальным и магнитным.
  • Каждый электрон на орбитали имеет уникальное значение четвертого квантового числа: спина.

Орбитали определяются специфическим распределением вероятности того, где именно можно найти электрон. Примеры орбиталей и их обозначения приведены на рисунке справа. «Границей» орбитали считается расстояние, на котором вероятность того, что электрон может находиться вне ее, меньше 90 %.

  • Каждая оболочка может содержать не больше строго определенного числа электронов. Например, ближайшая к ядру оболочка может иметь максимум два электрона, следующая — 8, третья от ядра — 18.
  • Когда электроны присоединяются к атому, они занимают орбиталь с низкой энергией. Только электроны внешней оболочки могут участвовать в образовании межатомных связей. Атомы могут отдавать и присоединять электроны, становясь положительно или отрицательно заряженными ионами.
  • Химические свойства элемента определяются тем, с какой легкостью ядро ​​может отдавать или получать электроны. Это зависит как от числа электронов, так и от степени заполненности внешней оболочки.

Электронные оболочки и орбитали

Сложные атомы имеют десятки, а для очень тяжелых элементов, даже сотни электронов. Электронные состояния атомов формируются всеми электронами, и невозможно определить, где находится каждый из них. Однако, в так называемом одноэлектронном приближении, можно говорить об определенных энергетических состояниях отдельных электронов.

Согласно этим представлениям существует определенный набор орбиталей, которые заполняются электронами атома. Эти орбитали образуют определенную электронную конфигурацию. На каждой орбитали может находиться не более чем два электрона (принцип исключения Паули). Орбитали группируются в оболочки, каждая из которых может иметь лишь определенное фиксированное количество орбиталей (1, 4, 10 и т. д.). Орбитали разделяют на внутренние и внешние. В основном состоянии атома внутренние оболочки полностью заполнены электронами.

На внутренних орбиталях электроны сильно связаны с ядром. Чтобы вырвать электрон из внутренней орбитали, нужно предоставить ему большую энергию, до нескольких тысяч электрон-вольт. Такую энергию электрон на внутренней оболочке может получить только поглотив квант рентгеновского излучения. Энергии внутренних оболочек атомов индивидуальные для каждого химического элемента, а потому по спектру рентгеновского поглощения можно идентифицировать атом. Эту индивидуальность используют в некоторых методах рентгеновской спектроскопии, в частности в рентгенофлуоресцентном анализе, рентгеновской спектроскопии поглощения, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

На внешней оболочке электроны находятся на большем расстоянии от ядра и слабее связаны с ним. Именно эти электроны участвуют в формировании химических связей, поэтому внешнюю оболочку называют валентной, а электроны внешней оболочки — валентными электронами.

Как увидеть невидимое?

Современная наука гласит, что атомы являются строительными блоками всего существующего. Но вряд ли такое объяснение устроит всех, ведь если атомы существуют, значит их можно увидеть. Но как? На первый взгляд может показаться, что существует простой способ доказать существование атомов: достаточно поместить их под микроскоп. Но такой подход не сработает. На самом деле, даже самые мощные микроскопы не могут визуализировать отдельные атомы.

Напомним, что увидеть тот или иной объект можно благодаря тому, как он отклоняет видимые световые волны. А вот атомы остаются для нас невидимыми, при этом они оказывают заметное влияние на некоторые вещи. Так, сотни лет назад, в 1785 году, голландский ученый Ян Ингенхуз изучал странное явление, в котором он не мог до конца разобраться: мельчайшие частицы угольной пыли метались по поверхности спирта в его лаборатории.

Примерно 50 лет спустя, в 1827 году, шотландский ботаник Роберт Браун описал нечто похожее, когда направил микроскоп на пыльцевые зерна. Браун заметил, что некоторые зерна выделяют крошечные частицы, которые затем удаляются от пыльцевого зерна в случайном дрожащем танце. Сначала ученый задался вопросом, действительно ли эти частицы были каким-то неизвестным организмом. Он повторил эксперимент с другими веществами, такими как каменная пыль, которая, как он знал, не была живой и снова увидел то же самое странное движение.

Специфический тип движения, который обнаружил Роберт Браун сегодня называется в его честь – броуновское движение. Термин подразумевает беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных частиц твердого вещества в жидкости или газе, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.

Поиски объяснения продолжались до тех пор, пока Альберт Эйнштейн не предположил, что частицы пыльцевых зерен перемещались, потому что постоянно сталкивались с миллионами мельчайших молекул воды – молекул, состоящих из атомов. К 1908 году наблюдения, подкрепленные расчетами, подтвердили реальность атомов. А еще через десять лет, разделяя отдельные атомы, физики начали понимать внутреннюю структуру этих мельчайших частиц.

Строение атома

Темы кодификатора ЕГЭ: Строение электронных оболочек атомов элементов первых четырех периодов: s-, p- и d-элементы. Электронная конфигурация атомов и ионов. Основное и возбужденное состояние атомов.

Одну из первых моделей строения атома — « пудинговую модель » — разработал Д.Д. Томсон в 1904 году. Томсон открыл существование электронов, за что и получил Нобелевскую премию. Однако наука на тот момент не могла объяснить существование этих самых электронов в пространстве. Томсон предположил, что атом состоит из отрицательных электронов, помещенных в равномерно заряженный положительно «суп», который компенсирует заряд электронов (еще одна аналогия — изюм в пудинге). Модель, конечно, оригинальная, но неверная. Зато модель Томсона стала отличным стартом для дальнейших работ в этой области.

И дальнейшая работа оказалась эффективной. Ученик Томсона, Эрнест Резерфорд, на основании опытов по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге предложил новую, планетарную модель строения атома.

Согласно модели Резерфорда, атом состоит из массивного, положительно заряженного ядра и частиц с небольшой массой — электронов, которые, как планеты вокруг Солнца, летают вокруг ядра, и на него не падают.

Модель Резерфорда оказалась следующим шагом в изучении строения атома. Однако современная наука использует более совершенную модель, предложенную Нильсом Бором в 1913 году. На ней мы и остановимся подробнее.

Атом — это мельчайшая, электронейтральная, химически неделимая частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

При этом электроны двигаются не по определенной орбите, как предполагал Резерфорд, а довольно хаотично. Совокупность электронов, которые двигаются вокруг ядра, называется электронной оболочкой .

А томное ядро, как доказал Резерфорд — массивное и положительно заряженное, расположено в центральной части атома. Структура ядра довольно сложна, и изучается в ядерной физике. Основные частицы, из которых оно состоит — протоны и нейтроны . Они связаны ядерными силами (сильное взаимодействие).

Рассмотрим основные характеристики протонов, нейтронов и электронов:

Протон Нейтрон Электрон
Масса 1,00728 а.е.м. 1,00867 а.е.м. 1/1960 а.е.м.
Заряд + 1 элементарный заряд — 1 элементарный заряд

1 а.е.м. (атомная единица массы) = 1,66054·10 -27 кг

1 элементарный заряд = 1,60219·10 -19 Кл

И — самое главное. Периодическая система химических элементов, структурированная Дмитрием Ивановичем Менделеевым, подчиняется простой и понятной логике: номер атома — это число протонов в ядре этого атома . Причем ни о каких протонах Дмитрий Иванович в XIX веке не слышал. Тем гениальнее его открытие и способности, и научное чутье, которое позволило перешагнуть на полтора столетия вперёд в науке.

Следовательно, заряд ядра Z равен числу протонов, т.е. номеру атома в Периодической системе химических элементов.

Атом — это на заряженная частица, следовательно, число протонов равно числу электронов: Ne = Np = Z.

Масса атома ( массовое число A ) равна суммарной массе крупных частиц, которе входят в состав атома — протонов и нейтронов. Поскольку масса протона и нетрона примерно равна 1 атомной единице массы, можно использовать формулу: M = Np + Nn

Массовое число указано в Периодической системе химических элементов в ячейке каждого элемента.

Обратите внимание! При решении задач ЕГЭ массовое число всех атомов, кроме хлора, округляется до целого по правилам математики. Массовое число атома хлора в ЕГЭ принято считать равным 35,5

Таким образом, рассчитать число нейтронов в атоме можно, вычтя из массового числа номер атома: Nn = M – Z.

В Периодической системе собраны химические элементы — атомы с одинаковым зарядом ядра. Однако, может ли меняться у этих атомов число остальных частиц? Вполне. Например, атомы с разным числом нейтронов называют изотопами данного химического элемента. У одного и того же элемента может быть несколько изотопов.

Попробуйте ответить на вопросы. Ответы на них — в конце статьи:

  1. У изотопов одного элемента массовое число одинаковое или разное?
  2. У изотопов одно элемента число протонов одинаковое или разное?

Химические свойства атомов определяются строением электронной оболочки и зарядом ядра. Таким образом, химические свойства изотопов одного элемента практически не отличаются.

Поскольку атомы одного элемента могут существовать в форме разных изотопов, в названии часто указывается массовое число, например, хлор-35, и принята такая форма записи атомов:

3. Определите количество нейтронов, протонов и электронов в изотопе брома-81.

4. Определите число нейтронов в изотопе хлора-37.

Хромосома

Хромосо́мы – нуклеопротеидные структуры в ядре эукариотической клетки, в которых сосредоточена бо́льшая часть наследственной информации и которые предназначены для ее хранения, реализации и передачи.

Хромосомы четко различимы в световом микроскопе только в период митотического или мейотического деления клетки. Геном человека состоит из 23 пар хромосом, которые содержатся в ядре, а также митохондриальной ДНК. 

В ходе выполнения проекта «Геном человека» была определена последовательность ДНК всех хромосом и митохондриальной ДНК. В настоящее время эти данные активно используются по всему миру в биомедицинских исследованиях.

Электронные формулы элементов первых четырех периодов

Рассмотрим заполнение электронами оболочки элементов первых четырех периодов. У водорода заполняется самый первый энергетический уровень, s-подуровень, на нем расположен 1 электрон:

+1H 1s1      1s 

У гелия 1s-орбиталь полностью заполнена:

+2He 1s2      1s  

Поскольку первый энергетический уровень вмещает максимально 2 электрона, у лития начинается заполнение второго энергетического уровня, начиная с орбитали с минимальной энергией — 2s. При этом сначала заполняется первый энергетический уровень:

+3Li 1s22s1      1s     2s 

У бериллия 2s-подуровень заполнен:

+4Be 1s22s2      1s    2s 

Далее, у бора заполняется p-подуровень второго уровня:

+5B 1s22s22p1      1s    2s     2p 

У следующего элемента, углерода, очередной электрон, согласно правилу Хунда, заполняет вакантную орбиталь, а не заполняет частично занятую:

+6C 1s22s22p2      1s    2s     2p 

Попробуйте составить электронную и электронно-графическую формулы для следующих элементов, а затем можете проверить себя  по ответам конце статьи:

5. Азот

6. Кислород

7. Фтор

У неона завершено заполнение второго энергетического уровня: 

+10Ne 1s22s22p6      1s    2s     2p 

У натрия начинается заполнение третьего энергетического уровня:

+11Na 1s22s22p63s1      1s    2s     2p      3s 

От натрия до аргона заполнение 3-го уровня происходит в том же порядке, что и заполнение 2-го энергетического уровня. Предлагаю составить электронные формулы элементов от магния до аргона самостоятельно, проверить по ответам.

8. Магний

9. Алюминий

10. Кремний

11. Фосфор

12. Сера

13. Хлор

14. Аргон

А вот начиная с 19-го элемента, калия, иногда начинается путаница — заполняется не 3d-орбиталь, а 4s. Ранее мы упоминали в этой статье, что заполнение энергетических уровней и подуровней электронами происходит по энергетическому ряду орбиталей, а не по порядку. Рекомендую повторить его еще раз. Таким образом, формула калия:

+19K 1s22s22p63s23p64s11s 2s 2p3s 3p4s

Для записи дальнейших электронных формул в статье будем использовать сокращенную форму:

 +19K   4s1     4s 

У кальция 4s-подуровень заполнен:

+20Ca   4s2     4s

У элемента 21, скандия, согласно энергетическому ряду орбиталей, начинается заполнение 3d-подуровня:

+21Sc   3d14s2     4s    3d 

Дальнейшее заполнение 3d-подуровня происходит согласно квантовым правилам, от титана до ванадия:

+22Ti   3d24s2     4s    3d

+23V   3d34s2       4s    3d 

Однако, у следующего элемента порядок заполнения орбиталей нарушается. Электронная конфигурация хрома такая:

+24Cr   3d54s1       4s  3d 

В чём же дело? А дело в том, что при «традиционном» порядке заполнения орбиталей (соответственно, неверном в данном случае — 3d44s2) ровно одна ячейка в d-подуровне оставалась бы незаполненной. Оказалось, что такое заполнение энергетически менее выгодно. А более выгодно, когда d-орбиталь заполнена полностью, хотя бы единичными электронами. Этот лишний электрон переходит с 4s-подуровня. И небольшие затраты энергии на перескок электрона с 4s-подуровня с лихвой покрывает энергетический эффект от заполнения всех 3d-орбиталей. Этот эффект так и называется — «провал» или «проскок» электрона. И наблюдается он, когда d-орбиталь недозаполнена на 1 электрон (по одному электрону в ячейке или по два).

У следующих элементов «традиционный» порядок заполнения орбиталей снова возвращается. Конфигурация марганца:

+25Mn   3d54s2

Аналогично у кобальта и никеля. А вот у меди мы снова наблюдаем провал (проскок) электрона — электрон опять проскакивает с 4s-подуровня на 3d-подуровень:

+29Cu   3d104s1

На цинке завершается заполнение 3d-подуровня:

+30Zn   3d104s2

У следующих элементов, от галлия до криптона, происходит заполнение 4p-подуровня по квантовым правилам. Например, электронная формула галлия:

+31Ga   3d104s24p1

Формулы остальных элементов мы приводить не будем, можете составить их самостоятельно.

Некоторые важные понятия:

Внешний энергетический уровень — это энергетический уровень в атоме с максимальным номером, на котором есть электроны.

Например, у меди   (3d104s1) внешний энергетический уровень — четвёртый.

Валентные электроны — электроны в атоме, которые могут участвовать в образовании химической связи. Например, у хрома (+24Cr   3d54s1) валентными являются не только электроны внешнего энергетического уровня (4s1), но и неспаренные электроны на 3d-подуровне, т.к. они могут образовывать химические связи.

Сперматозоиды (синего цвета) пытаются проникнуть в яйцеклетку человека

OME / SPL / East News

Увеличение: x6500

Каждый сперматозоид имеет длинный хвост и овальную голову. Примечательно, что женщины обычно вырабатывают одно яйцо (яйцеклетку) в месяц, тогда как мужчины вырабатывают миллионы сперматозоидов. Но что самое удивительное – что только один из миллиона сперматозоидов сможет проникнуть в наружный слой яйцеклетки и оплодотворить ее. 

Оплодотворением считается, когда генетический материал сперматозоида (дезоксирибонуклеиновая кислота, ДНК) сольется с ДНК яйцеклетки. Как только это происходит, яйцеклетка сразу же образует барьер для проникновения других сперматозоидов. 

Как фотоны преобразуются в материю?

Как следует из названия коллайдера, ускорение ионов – это ускорение атомных ядер, лишенных своих электронов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а протоны (внутри ядра) имеют заряд положительный, в результате процесса Брейта-Уилера остается ядро с положительным зарядом. Чем тяжелее элемент, тем больше в нем протонов и тем сильнее положительный заряд образующегося иона.

В ходе исследования команда использовала ионы золота, которые содержат 79 протонов, и мощный заряд. Когда ионы золота ускоряются до очень высоких скоростей, они генерируют круговое магнитное поле, которое может быть таким же мощным, как перпендикулярное электрическое поле в коллайдере. Там, где они пересекаются, эти равные поля могут создавать электромагнитные частицы, или фотоны.

Диаграмма, показывающая, как близкое попадание ионов золота приводит к столкновениям фотонов. (Изображение предоставлено исследователями Брукхейвенской лаборатории)

Вот где происходит волшебство: когда два иона просто разминулись, два их облака фотонов могут взаимодействовать и сталкиваться. Сами столкновения обнаружить невозможно, но возникающие в результате электрон-позитронные пары поддаются наблюдению. «Однако одного обнаружения электрон-позитронной пары недостаточно», – пишут авторы исследования.

Дело в том, что фотоны, образующиеся в результате электромагнитного взаимодействия, являются виртуальными фотонами, ненадолго появляющимися и исчезающими, и не имеют той же массы, что и их «реальные» аналоги. А для наблюдения процесса Брейта-Уилера должны столкнуться два реальных фотона, а не виртуальных.

Процесс Брайта-Уилера

Но при релятивистских скоростях виртуальные частицы могут вести себя как настоящие фотоны. К счастью, теперь физики могут определить, какие пары электрон-позитрон образуются в процессе Брейта-Уилера: они проанализировали 6000 пар электронов и позитронов, которые образовались в ходе столкновения ядер атомов золота на коллайдере (RHIC). Также физики измерили все распределения энергии, массы и квантовые числа систем.

Следует также отметить, что работа команды в высшей степени убедительна – по крайней мере, она показывает, что исследователи идут по правильному пути. Ну а пока они будут продолжать наблюдения за созданием материи, мы смело можем ожидать дальнейших и удивительных открытий.