Органическая химия и неорганическая

Задание 2,9.
Какие важнейшие частицы входят в состав ядра атома? Укажите их характеристики (заряд, масса). Что такое изотопы? Какие изотопы называются радиоактивными? Почему у элементов конца периодической системы (начиная с какого элемента?) все изотопы радиоактивные? Применение изотопов в биологии.
Решение:
В состав атомного ядра входят элементарные частицы : протоны и нейтроны (нуклоны от латинского слова nucleus – ядро ). Такая протонно-нейтронная модель ядра была предложена советским физиком в 1932 г. Д.Д. Иваненко. Протон имеет положительный заряд p + =1,06·10 –19 Кл и массу покоя mp = 1,673·10 –27 кг = 1836me . Нейтрон (n ) – нейтральная частица с массой покоя mn = 1,675·10 –27 кг = 1839me (где масса электрона me , равна 0,91·10 –31 кг).
Химические вещества, занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, но имеющие разную атомную массу, называются изотопами. Ядра изотопов отличаются числом нейтронов. Например, водо-род имеет три изотопа: протий — ядро состоит из од¬ного протона, дейтерий — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона, тритий — ядро состоит из одного протона и двух нейтронов.
между массой и энергией существует связь Е = mc2, то при делении тяжелых ядер и при синтезе легких ядер должна выделяться энергия, существующая из-за дефекта масс, и эта энергия на¬зывается энергией связи атомного ядра. Есв = Мс2.
Выделение этой энергии может происходить при ядерных реакциях.
Ядерная реакция — это процесс изменения заряда ядра и его массы, происходящий при взаимо¬действии ядра с другими ядрами или элементарными частицами. При протекании ядерных реакций вы¬полняются законы сохранения электрических заря¬дов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чи¬сел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных про¬дуктов (ядер и частиц) реакции.
Цепная реакция деления — это ядерная ре¬акция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Неуправ-ляемая ядерная реакция применяется в атомных бомбах. Впервые решил задачу об управлении цеп¬ной реакцией деления ядер физик Энрико Ферми. Им был изобретен ядерный реактор в 1942 г. У нас в стране реактор был запущен в 1946 г. под руковод¬ством И. В. Курчатова.
Термоядерные реакции — это реакции синте¬за легких ядер, происходящие при высокой темпера¬туре (примерно 107 К и выше). Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в нед¬рах звезд. На Земле термоядерная реакция осущест¬влена только при экспериментальных взрывах, хотя ведутся международные исследования по управлению этой реакцией.
В биологии изотопы применяют для решения как фундаментальных, так и прикладных биологических проблем, изучение которых другими методами затруднено или невозможно. Существенное для биологии преимущество метода меченых атомов состоит в том, что использование изотопов не нарушает целостности организма и его основных жизненных отправлений. С применением изотопов связаны многие крупные достижения современной биологии, определившие расцвет биологических наук во 2-й половине XX в. С помощью стабильных и радиоактивных изотопов водорода (2H и 3H), углерода (13C и 14C), азота (15N), кислорода (18O), фосфора (32P), серы (35S), железа (59Fe), йода (131I) и др. были выяснены и детально изучены сложные и взаимосвязанные процессы биосинтеза и распада белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и др. биологически активных соединений, а также химические механизмы их превращений в живой клетке. Использование изотопов привело к пересмотру прежних представлений о природе фотосинтеза, а также о механизмах, обеспечивающих усвоение растениями неорганических веществ карбонатов, нитратов, фосфатов и др. С помощью изотопов выполнено огромное число исследований в самых разнообразных направлениях биологии и биохимии. Одно из направлений включает работы по изучению динамики и путей перемещения популяций в биосфере и отдельных особей внутри данной популяции, миграции микробов, а также отдельных соединений внутри организма. Вводя в организмы с пищей или путём инъекций метку, удалось изучить скорость и пути миграции многих насекомых (москитов, мух, саранчи), птиц, грызунов и др. мелких животных и получить данные о численности их популяций. В области физиологии и биохимии растений с помощью изотопов решен ряд теоретических и прикладных проблем: выяснены пути поступления минеральных веществ, жидкостей и газов в растения, а также роль различных химических элементов, в том числе микроэлементов, в жизни растений. Показано, в частности, что углерод поступает в растения не только через листья, но и через корневую систему, установлены пути и скорости передвижения ряда веществ из корневой системы в стебель и листья и из этих органов к корням.
В области физиологии и биохимии животных и человека изучены скорости поступления различных веществ в их ткани (в том числе скорость включения железа в гемоглобин, фосфора в нервную и мышечные ткани, кальция в кости). Важная группа работ охватывает исследования механизмов химических реакций в организме. Так, во многих случаях удалось установить связь между исходными и вновь образующимися молекулами, проследить за "судьбой" отдельных атомов и химических групп в процессах обмена веществ, а также выяснить последовательность и скорость этих превращений. Полученные данные сыграли решающую роль при построении современных схем биосинтеза и метаболизма (метаболических карт), путей превращения пищи, лекарственных препаратов и ядов в живых организмах. К работам этой группы относится выяснение вопроса о происхождении кислорода, выделяемого в процессе фотосинтеза: оказалось, что его источником является вода, а не двуокись углерода. С другой стороны, применение 14CO2 позволило выяснить пути превращений двуокиси углерода в процессе фотосинтеза. Использование "меченой" пищи привело к новому представлению о скоростях всасывания и распространения пищевых веществ, об их "судьбе" в организме и помогло проследить за влиянием внутренних и внешних факторов (голодание, асфиксия, переутомление и т. д.) на обмен веществ. Метод изотопов позволил изучить процессы обратимого транспорта веществ через биологические мембраны. Было показано, что концентрации веществ по обе стороны мембраны остаются постоянными с сохранением градиентов концентрации, характерных для каждой из разделённых мембранами сред. Метод нашёл применение в исследовании процессов, решающую роль в которых играет передача информации в организме (проводимость нервных импульсов, инициация и рецепция раздражения и др.) Эффективность метода изотопов в работах этого рода обусловлена тем, что исследования проводятся на целостных, интактных организмах, сохраняющих неповрежденной всю сложную систему нервных и гуморальных связей. Наконец, группа работ включает исследования статических характеристик биологических структур, начиная с молекулярного уровня (белки, нуклеиновые кислоты) и кончая надмолекулярными структурами (рибосомы, хромосомы и др. органеллы).