Ядро — центральная часть атома, клетки или зерна¶

Ядро — центральная, внутренняя часть какого-либо объекта или системы, окружённая оболочкой или периферией. Термин применяется в физике, биологии, информатике, математике и других областях, где подразумевается наличие центральной структуры, определяющей свойства целого.

¶Ядро атома

Ядро атома — положительно заряженная центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов (нуклонов), связанных ядерными силами. Открыто Эрнестом Резерфордом в 1911 году на основании опыта по рассеянию альфа-частиц. Диаметр ядра составляет порядка 10⁻¹⁴—10⁻¹⁵ метров, то есть на 4—5 порядков меньше диаметра всего атома, при этом в нём сосредоточено почти вся масса атома.

Заряд ядра определяется количеством протонов (атомным номером Z), а массовое число A равно сумме протонов и нейтронов. Изотопы — атомы одного элемента с разным числом нейтронов. Ядра с нестабильным соотношением протонов и нейтронов подвергаются радиоактивному распаду, сопровождающемуся испусканием альфа-, бета-частиц или гамма-излучения.

Основные модели строения ядра включают капельную модель (Георгий Гамов, 1928), оболочечную модель (Мария Гёпперт-Майер, Йенс Дженсен, 1949) и объединённую модель. Ядерные реакции — слияние (термоядерный синтез) или деление тяжёлых ядер — сопровождаются выделением огромного количества энергии, что лежит в основе работы атомных электростанций и термоядерных установок.

¶Ядро клетки

Ядро клетки — крупнейшая органелла эукариотической клетки, содержащая генетический материал в форме ДНК. Открыто Робертом Брауном в 1831 году. Окружено двойной ядерной мембраной с порами, через которые осуществляется обмен веществом между ядром и цитоплазмой.

Внутри ядра расположены хроматин (в интерфазе) или хромосомы (при делении), ядрышко, где синтезируется рРНК, и ядерный сок. Основные функции ядра: хранение наследственной информации, репликация ДНК, транскрипция РНК, регуляция клеточной активности. Деление ядра (митоз, мейоз) обеспечивает передачу генетической информации дочерним клеткам.

У прокариот (бактерий, архей) оформленного ядра нет — их генетический материал расположен в нуклеоиде. У некоторых простейших (эвглен, динофлагеллят) ядро претерпевает особые изменения: у динофлагеллят хромосомы остаются конденсированными на всех стадиях жизненного цикла.

¶Ядро процессора

Ядро центрального процессора (CPU core) — функциональный блок процессора, способный самостоятельно выполнять инструкции программы. В современных многоядерных процессорах несколько ядер размещаются на одном кристалле, что позволяет выполнять параллельные вычисления.

Одноядерные процессоры, преобладавшие до середины 2000-х годов, повышали производительность преимущественно за счёт роста тактовой частоты. С насыщением предела (проблема «стены частоты») производители перешли к многоядерной архитектуре: Intel Core i7 (2008), AMD Phenom X4 (2007) и другие. К 2020-м годам обычные потребительские процессоры содержат 4—16 ядер, серверные — до 128 и более.

Понятие ядра тесно связано с гиперпоточностью (технология Intel Hyper-Threading), когда одно физическое ядро эмулирует два логических, а также с big.LITTLE-архитектурой ARM, сочетающей производительные и энергоэффективные ядра.

¶Ядро операционной системы

Ядро (kernel) операционной системы — центральная программа, обеспечивающая связь аппаратного обеспечения с приложениями. Выполняет планирование процессов, управление памятью, файловую систему, драйверы устройств и защиту данных.

Основные архитектуры: монолитное ядро (Linux, FreeBSD), микроядро (Minix, QNX, GNU Hurd), гибридное (Windows NT, macOS XNU). Российские разработки в этой области включают ядро Альт (развивается в рамках проекта Альт СПТ) и проекты на базе Linux.

¶Ядро в математике

В математике ядром называют:

• Ядро линейного оператора (ядро оператора) — множество элементов, переводимых оператором в нуль; центральное понятие теории ядер интегральных уравнений.
• Ядро графа — подмножество вершин, обладающее определёнными свойствами связности.
• Ядро игры (теория игр) — множество распределений выигрыша, не подлежащих блокировке коалициями.
• Ядро множества — наибольшее выпуклое подмножество, содержащееся в заданном множестве.

¶Ядро в других областях

В геологии ядром Земли называют внутреннюю часть планеты: твёрдое внутреннее ядро (радиус около 1220 км, преимущественно железо-никелевый сплав) и жидкое внешнее ядро (радиус около 3480 км), генерирующее магнитное поле планеты.

В ботанике ядро — древесная центральная часть ствола дерева (так называемая «сердцевина»), отличающаяся по свойствам от заболони.

В ядерной физике термин «ядро» может обозначать также активную зону реактора — часть, где поддерживается цепная реакция.

В материалахедении ядром кристалла называют начальную точку роста — центр, из которого формируется кристаллическая структура при кристаллизации.

¶Интересные факты

Масса протона примерно в 1836 раза больше массы электрона, поэтому практически вся масса атома приходится на ядро. При этом объём ядра составляет лишь триллионную долю объёма атома: если представить атом в масштабе футбольного поля, ядро было бы размером с горошину.

Источники:

• Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Курс общей физики. Том 3. Квантовая механика.
• Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки.
• Таненбаум Э., Деллароса С. Операционные системы: разработка и реализация.
• Энциклопедический словарь физических терминов.