?

Log in

No account? Create an account
Quizzing the Anonymous
Ignoramus et ignorabimus
Объяснения экспериментов 1 & 2 
12th-Aug-2018 01:00 am
thinking
Объяснение эксперимента 1.

Запаянный стеклянный капилляр с радоном поместили в цилиндрический сосуд, наполненный газообразным водородом. На одном конце сосуда поместили экран из сульфида цинка. Между капилляром и экраном на разных расстояниях от экрана помещали металлическую фольгу. По тому, как менялась сцинтилляция (= слабые вспышки) на экране от положения фольги следовало, что сцинтилляция вызывается двумя разными частицами. Водород откачали. Некоторые сцинтилляции по-прежнему выглядели так, как если бы водород присутствовал. Из этого заключили, что в сосуде остались следы водорода. В сосуд допустили кислород. Частота сцинтилляций на экране, похожих на те, что наблюдали из водорода, уменьшились. То же самое наблюдали, когда в сосуд допустили углекислый газ. Тогда в сосуд допустили воздух. Частота "водородных сцинтилляций" увеличилась. Исследователь предположил, что источником водорода была вода и пыль из воздуха. Воздух отфильтровали и осушили. Частота "водородных сцинтилляций" не уменьшилась.

Эксперимент 1 я взял из гл. 6, стр. 134-137
https://books.google.com/books/about/The_Making_of_the_Atomic_Bomb.html?id=5o70W8CR6vMC
+ введения к
https://books.google.com/books?id=wm2LAwAAQBAJ&pg=PA15

Это классический эксперимент Марсдена и Резерфорда.

Радон излучает альфа-частицы; те бомбардируют молекулы водорода в газе, отрывая протоны. Обе ускоренные частицы теряют энергию в столкновениях с молекулами газа. Из-за разницы в массе, длина пробега протонов в газе длиннее, чем длина пробега альфа-частиц. Блокируя путь частиц металлической фольгой, можно поймать положение, когда альфа-частица блокируется (она уже потеряла энергию и остановлена более плотной, чем газ, фольгой), а другая (еще не потерявшая кинетическую энергию) пролетает через фольгу.

Eсли откачать водород, то в этом положении фольги видна "водородная сцинтилляция". Однако, это ничего не означает: чтобы разделить частицы по длине остановки, нужен газ, тормозящий частицы; т.е. "водородная сцинтилляция" - иллюзия: сцинтилляция идет из альфа-частиц.

Марсден это осознал, запустил в сосуд воздух, и увидел частицы с таким же профилем выхода сцинтилляции от положения фольги как и в водороде. Из этого Марсден заключил, что источником ядер водорода (тогда их еще не называли протонами) была стеклянная трубка с радоном, так как стекло содержит гидроксильные группы. Он заменил стеклянную на кварцевую трубку. Протон был все равно виден. Марсден заменил радон на никелевый диск с радием. Водород был все равно виден. Марсден был химиком, и он стал подозревать примесь водорода (водород растворяется в металлах и стекле).

Он сообщил о своих затруднениях Резерфорду. Резерфорд тщательно откачал сосуд, промерил, как частицы задерживались металлами разной толщины и заключил, что это были альфа-частицы. Тогда он стал пускать в сосуд разные газы (см. описание в посте). Из этих опытов он заключил, что для наблюдения второй частицы нужен азот. Получалось, что частица образуется в столкновениях альфа-частиц с азотом, но не с кислородом. Резерфорд предположил, что частица может быть заряженным ядром азота, гелия, лития или дейтерия. Используя газы разных масс, содержащие водород, он показал, что в каждом случае образовались частицы с такими же свойствами, что при бомбардировке водорода и азота. Частицы могли быть только протонами или дейтронами. Резерфорд открыл первую ядерную реакцию: трансмутацию азота-14 в кислород-17. Резерфорд не стал искать объяснений процессу, понимая, что в известной физике он его не найдет.
https://web.lemoyne.edu/giunta/RUTHERFORD.HTML

Объяснение эксперимента 2.

Светящегося моллюска растерли в кашицу в холодной воде и жидкость отфильтровали; так получили раствор 1. При взбалтывании раствора 1, тот некоторое время светился в темноте, но потом переставал. Свежеприготовленный (светящийся при взбалтывании) раствор 1 быстро вскипятили и охладили; так получили раствор 2. При взбалтывании раствор 2 не светился. Переставший светиться раствор 1 объединили с раствором 2, получив раствор 3. При взбалтывании раствор 3 светился. Часть свежеприготовленного раствора 1 заморозили, а потом нагрели до комнатной температуры, получив раствор 4. Раствор 4 при взбалтывании не светился. К раствору 4 добавили раствор 1, получив раствор 5. При взбалтывании раствор 5 светился.

Знаменитый эксперимент был проделан Дюбуа в 1880-х годах. Примечателен он тем, что Дюбуа предложил верное концептуальное объяснение биолюминисценции, которое годится для множества организмов, кроме того, с которым он произвел опыт. Для светлячка (которого он исследовал после моллюска) оно было бы полностью верным.

Не вдаваясь в детали: биолюминисценция возникает в реакции молекулы (люциферина) с окислителем, например кислородом. Взбалтывание раствора нужно, чтобы кислород растворился в воде (где он может энзиматически превращаться в окислитель). Реакция с окислителем медленная, для нее нужен катализатор: люцифераза. Кислород из окислителя образует с люциферином эндопероксид, а тот распадется/перегрупировывается в возбужденную молекулу, которая излучает свет. Люциферины и их люциферазы могут сильно отличаться по структуре и синтезироваться разными способами.

Дюбуа рассудил, что биолюминисценция должна быть химической реакцией, скорее всего двух молекул (кроме окислителя). Одна из этих молекул уничтожается кипячением, скорее всего это биомолекула - белок. Он назвал его люциферазой. Энзимы катализируют реакции, т.е. ее субстратом д.б. второй реагент - люциферин. Когда он заканчивается, исчезает свечение. В кипяченом растворе люциферин не светился, т.к. в нем была убита люцифераза. Если объединить этот раствор с раствором, где исчерпался люциферин, но остался катализатор, опять идет свечение. При замораживании раствора, в нем образуются кристаллики льда, "вымораживающие" белки, и они денатурируют. Дюбуа рассудил, что заморозка убивает люциферазу, и объяснение сводится к предыдущему. Из того, что люциферин устойчив к низким и высоким температурам, Дюбуа преположил, что люциферин - органическая молекула.

Проколом в рассуждении Дюбуа является возможность того, что люциферин - биомолекула, устойчивая к денатурации, которая восстанавливает третичную структуру в воде. Люциферин Pholas dactylus, который исследовал Дюбуа - молекула, ковалентно связанная с гликопротеином, обладающим таким свойством.
http://www.jbc.org/content/275/13/9403.full
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/cbic.200900503
Есть другие примеры люциферинов-фотопротеинов; не знаю, обладают ли они таким свойством.

То, что этот люциферин - макромолекула, было обнаружено через 100 лет после опыта Дюбуа, а хромофор опознали только в 2009-м году. Дюбуа мог сильно ошибиться в своих заключениях, так как свечение люциферинa этого моллюска катализируется ионами железа, которые могли присутствовать в экстракте.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/000527287090109X
Более того, окислителем для люциферина (фолазина) служит пероксид, а не кислород, и лимитирующим для свечения мог быть не люциферин, a какой-нибудь энзим окислительной цепи. Гадал на кофейной гуще, а попал в самое очко...

Одной научной грамотностью в нашем деле немного достигнешь...
Comments 
13th-Aug-2018 05:56 am (UTC)
Это всё замечательно, но я бы заменил слова "научная грамота" на "научную грамотность".
13th-Aug-2018 06:32 am (UTC) - Завидую...
// "Одной научной грамотой в нашем деле немного достигнешь..."

- Неграмотных тоже много, но не всем выпадает удача. А перед Резерфордом я снимаю шляпу: исключил невозможные варианты и получил результат. Да такой, что и сейчас не стыдно будет.
- Вот почему альфа-частица самая устойчивая, самая вероятная при распадах ядер? Что это за "кирпичик" мироздания такой?
13th-Aug-2018 06:54 am (UTC) - Re: Завидую...
Да, это убийственный эксперимент. Второй тоже по-своему неплох, впрочем.

А про альфы-частицы: если не Путин, то кто?
15th-Aug-2018 01:03 pm (UTC)
альфа-частица - Я где-то читал, что потому что протоны и нейтроны - фермионы т.е. максимум 2 каждого может находиться в самом низком энергосостоянии.

15th-Aug-2018 01:46 pm (UTC)
Да, это было бы интересно. Для меня, который рассматривает пространство, состоящим из плотно упакованных "кусочков".

Спасибо за подсказку, попробую "порыться" в литературе.
13th-Aug-2018 11:46 am (UTC)
оба эксперимента объединяет одна черта - было обнаружено, что в процессе участвуют два компонента (альфа и протон, люциферин и люцифераза). Одним не объяснить. Это не редкость в основополагающих открытиях. Вот еще несколько примеров из биологии: открытие двухкомпонентной системы регуляции экспрессии генов (репрессор-оператор, Жакоб и Моно, потому что наблюдаются конститутивные мутации двух разных классов - одни доминантные, другие рецессивные). Фотосистема I+II (потому что фотосинтез при освещении светом с 2 разными длинами волн более эффективен, чем при двойной дозе любой из этих длин). Два события в возникновении спорадических раков - потому что заболеваемость растет с возрастом как парабола, а не линейно (как в раках с наследственной предрасположенностью, где один аллель уже сломан и надо сломать только второй).
13th-Aug-2018 12:09 pm (UTC)
Физики, работавшие в условиях отсутствия закона сохранения энергии, вызывают у меня тихий ужас.
13th-Aug-2018 01:17 pm (UTC)
Труднее всего, кажется, найти сходство там, где на первый взгляд ничего общего быть не может.
Вот со светящимся моллюском суть я сразу понял, но одно смущало - что там с замораживанием. Казалось бы противоположные действия - кипячение и замораживание, а эффект тот же самый - инактивация условной люциферазы.
И в первом эксперименте - было понятно, что газ ионизируется излучением, несложно понять, что протоны получаются при ионизации водорода. Но чтобы дойти своим умом до того, что те же самые протоны образуются из азота под действием альфа-частиц, надо быть Резерфордом.
17th-Aug-2018 12:42 am (UTC)
Первый не понял отчасти потому что не сообразил, как использовали фольгу (частичное блокирование областей) и не догадался про важность газа для разделения частиц разной мощности.
Про второй слышал, но возможно догадался бы..
This page was loaded Nov 19th 2019, 7:07 pm GMT.