Можно ли безгранично повышать разрешающую способность микроскопа?

9 ответов на вопрос “Можно ли безгранично повышать разрешающую способность микроскопа?”

  1. МУЛЬТприрода Ответить

    Предельно достижимую разрешающую способность оптического микроскопа можно сосчитать, исходя из выражения для апертуры микроскопа (). Если учесть, что максимально возможное значение синуса угла – единичное (), то для средней длины волны можно вычислить разрешающую способность микроскопа: .
    Из выражения (6.11) следует, что повысить разрешающую способность микроскопа можно двумя способами: либо увеличивая апертуру объектива, либо уменьшая длину волны света, освещающего
    препарат.

    Иммерсия

    Для того чтобы увеличить апертуру объектива, пространство между рассматриваемым предметом и объективом заполняется так называемой иммерсионной жидкостью – прозрачным веществом
    с показателем преломления больше единицы. В качестве такой жидкости используют воду (), кедровое масло (), раствор глицерина и другие вещества. Апертуры иммерсионных объективов большого увеличения достигают величины , тогда предельно достижимая разрешающая способность иммерсионного оптического микроскопа составит .

    Применение ультрафиолетовых лучей

    Для увеличения разрешающей способности микроскопа вторым способом применяются ультрафиолетовые лучи, длина волны которых меньше, чем у видимых лучей. При этом должна быть
    использована специальная оптика, прозрачная для ультрафиолетового света. Поскольку человеческий глаз не воспринимает ультрафиолетовое излучение, необходимо либо прибегнуть к средствам, преобразующим
    невидимое ультрафиолетовое изображение в видимое, либо фотографировать изображение в ультрафиолетовых лучах. При длине волны разрешающая способность микроскопа составит .
    Кроме повышения разрешающей способности, у метода наблюдения в ультрафиолетовом свете есть и другие преимущества. Обычно живые объекты прозрачны в видимой области спектра, и поэтому перед
    наблюдением их предварительно окрашивают. Но некоторые объекты (нуклеиновые кислоты, белки) имеют избирательное поглощение в ультрафиолетовой области спектра, благодаря чему они могут быть «видимы»
    в ультрафиолетовом свете без окрашивания.

    6.2.5. Полезное увеличение микроскопа

    Глаз наблюдателя сможет воспринимать две точки как раздельные, если угловое расстояние между ними будет не меньше углового предела разрешения глаза. Для того чтобы глаз наблюдателя
    мог полностью использовать разрешающую способность микроскопа, необходимо иметь соответствующее видимое увеличение.
    Полезное увеличение – это видимое увеличение, при котором глаз наблюдателя будет полностью использовать разрешающую способность
    микроскопа, то есть разрешающая способность микроскопа будет такая же, как и разрешающая способность глаза.
    Если две точки в передней фокальной плоскости микроскопа расположены друг от друга на расстоянии , то угловое расстояние между изображениями этих точек . Из выражений (6.11) и (6.8) можно вывести видимое увеличение микроскопа:

  2. илюминатор тв Ответить

    Разрешающая способность микроскопа может быть повышена за счет использования иммерсии и уменьшения длины волны света. Повышение разрешающей способности при использовании иммерсии можно пояснить следующим образом. Если между объективом и объектом находится воздух (сухой объектив), то световой луч при переходе из покровного стекла в воздух, среду с меньшим показателем преломления, значительно изменяет свое направление в результате преломления, поэтому меньше лучей попадает в объектив. При использовании иммерсионной среды, показатель преломления которой приблизительно равен показателю преломления стекла, изменение хода лучей в среде не наблюдается и большее количество лучей попадает в объектив.
    В качестве иммерсионной жидкости берут воду (n=1,33), кедровое масло (n=1,515) и др. Если максимальный апертурный угол у современных объективов достигает 1400 , то для сухого объектива А=0,94, а для объектива с масляной иммерсией А=1,43. Если при расчете использовать длину волны света l = 555 нм, к которой наиболее чувствителен глаз, то предел разрешения сухого объектива составит 0,30 мкм, а с масляной иммерсией – 0,19 мкм. Значение числовой апертуры указывается на оправе объектива: 0,20; 0,40; 0,65 и др.
    Повышение разрешающей способности оптического микроскопа за счет уменьшения длины волны света достигается при использовании ультрафиолетового излучения. Для этого имеются специальные ультрафиолетовые микроскопы с кварцевой оптикой и приспособлениями для наблюдения и фотографирования объектов. Так как в этих микроскопах используется свет с длиной волны примерно в два раза меньше, чем у видимого света, то они способны разрешать структуры препарата размерами около 0,1мкм. Ультрафиолетовая микроскопия имеет еще одно преимущество – с ее помощью можно исследовать неокрашенные препараты. Большинство биологических объектов прозрачны в видимом свете, так как не поглощают его. Однако они обладают избирательным поглощением в ультрафиолетовой области и, следовательно, легко различимы в ультрафиолетовых лучах.
    Наибольшая разрешающая способность у электронного микроскопа, так как длина волны при движении электрона в 1000 раз меньше длины световой волны.
    Полезное увеличение микроскопа ограничено его разрешающей способностью и разрешающей способностью глаза.
    Разрешающая способность глаза характеризуется наименьшим углом зрения, при котором человеческий глаз еще различает раздельно две точки предмета. Она лимитируется дифракцией на зрачке и расстоянием между светочувствительными клетками сетчатки. Для нормального глаза наименьший угол зрения равен 1 минуте. Если предмет находится на расстоянии наилучшего зрения – 25 см, то этот угол соответствует предмету размером 70 мкм. Данную величину считают пределом разрешения невооруженного глаза Zr на расстоянии наилучшего зрения. Однако показано, что оптимальная величина Zr равна 140-280 мкм. При этом глаз испытывает наименьшее напряжение.
    Полезным увеличением микроскопа называют его максимальное увеличение, при котором глаз еще в состоянии различать детали, равные по величине пределу разрешения микроскопа.
    Линейное увеличение микроскопа равно отношению величины изображения предмета, расположенного на расстоянии наилучшего зрения, к величине самого предмета ( см. формулу 1). Если за размер предмета примем предел разрешения микроскопа Z, а за размер изображения – предел разрешения невооруженного глаза на расстоянии наилучшего зрения Zr, то получим формулу полезного увеличения микроскопа:
    . (10)
    Подставляя в эту формулу Z из выражения (9), получим
    . (11)
    Подставив в формулу (11) длину волны света 555 нм (555?10-9 м), оптимальные величины пределов разрешения глаза 140-280 мкм (140-280?10-6 м), найдем интервал значений полезного увеличения микроскопа
    500 А < Кп < 1000 А .
    Например, при использовании лучших иммерсионных объективов с числовой апертурой 1,43 полезное увеличение будет составлять 700-1400, отсюда видно, что конструировать оптические микроскопы с большим увеличением нецелесообразно. Однако в настоящее время этот вопрос потерял свою остроту в связи с широким использованием в биологии и медицине электронного микроскопа, обеспечивающего увеличение до 600 000, а предел разрешения – до 0,1 нм.

  3. Foxxy Ответить

    В.С.Сухоруких, “Микроскоп и телескоп”.
    Гос. изд-во технико-теоретической литературы, М.-Л., 1950 г.
    OCR Detskiysad.Ru
    Вернуться в оглавление книги…
    Есть ли предел увеличению, которое можно получать с помощью микроскопа и телескопа? Иными словами, можно ли видеть в микроскоп форму и строение любых ничтожно малых предметов, и может ли телескоп настолько увеличить видимые размеры небесных тел, что станут различимы все подробности их строения?
    Эти вопросы естественно возникают у каждого, кто знакомится с действием микроскопа и телескопа. На первый взгляд может показаться, что увеличение микроскопа и телескопа можно повышать безгранично одним очень простым приёмом.
    Возьмём микроскоп. Увеличение микроскопа складывается из двух частей: увеличения, даваемого объективом, и увеличения окуляра. Если этого общего увеличения окажется недостаточно, то можно, как будто, повысить его следующим образом: вынуть окуляр и рассматривать даваемое объективом действительное изображение через второй микроскоп.
    Если этого будет мало, можно присоединить подобным же образом третий микроскоп и т. д. Но позволит ли такой прибор, состоящий из цепочки линз, увидеть форму и строение любого предмета, как бы мал он ни был? Действительно ли можно безгранично повышать увеличение микроскопа и телескопа таким приёмом? Нет. Никакой пользы от него не будет. И дело вовсе не в количестве линз микроскопа и телескопа, а в некоторых свойствах света.
    Чтобы лучше понять эти свойства света, вспомним волны, бегущие по поверхности воды. Вот на пути волн стоит выступающий из воды камень. Этот камень гораздо больше, чем длина волны, то есть чем расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами волны.
    Что происходит при этом с волнами? Камень разбивает их, и позади камня вода остаётся спокойной.
    Но вот у берега волны встречают тонкий камыш, толщина стебля которого значительно меньше длины волны. Волны огибают его и продолжают свой путь так, как будто никакого препятствия они не встретили! Такое огибание волнами препятствий называется дифракцией.
    Распространение света – это также движение особого вида волн. Длина видимых световых волн очень мала. Самая длинная волна – волна красного цвета – имеет длину всего около 7 десятитысячных долей миллиметра. В одном сантиметре может уложиться около четырнадцати тысяч таких волн!
    Самые короткие волны – волны фиолетового цвета; они почти вдвое короче волн красного цвета. Их длина – 4 десятитысячные доли миллиметра. Световым волнам также присуща дифракция. В этом можно убедиться на ряде опытов.
    Пропустим свет через очень малое отверстие, проделанное в непрозрачной пластинке. Тогда можно видеть, что пространство за пластинкой будет освещено не только непосредственно за отверстием, то есть там, куда свет должен попасть, следуя прямолинейно, но также и в других местах.
    Значит, свет в этом случае уклоняется от прямого пути, дифрагирует. Ещё более неожиданное и необъяснимое на первый взгляд явление наблюдается в следующем опыте. Поместим между источником света и экраном небольшой непрозрачный диск. Казалось бы, что диск должен отбросить на экран тень, причём наиболее тёмное место тени должно быть в её средней части.
    Однако при определённых условиях опыта в центре тени появляется светлое пятнышко. Причиной появления этого светлого пятнышка также является дифракция света.
    Каким же образом сказывается дифракция света на действии микроскопа и телескопа?
    Обратимся сначала к телескопу. Пусть объектив телескопа направлен на две звезды, видимые с Земли под очень малым углом зрения. Смотря на эти звёзды невооружённым глазом, мы не можем видеть их раздельно и принимаем две рассматриваемые звезды за одну.
    Задача телескопа состоит в этом случае в том, чтобы «различить» звёзды, то есть сделать их раздельно видимыми.
    Принцип действия телескопа вам известен. Объектив телескопа даёт в плоскости, проходящей через его фокус, действительное изображение звёзд. Будет ли невооружённый глаз видеть изображение каждой из звёзд раздельно или нет, зависит от того, на каком расстоянии одно от другого получаются изображения.
    Если промежуток между изображениями будет больше 2,5 десятых долей миллиметра, то этот промежуток будет виден с расстояния 25 сантиметров под углом зрения больше 2,5 минуты. Следовательно, в этом случае глаз и без помощи окуляра может увидеть звёзды раздельно. Если же расстояние между изображениями будет меньше 2,5 десятых долей миллиметра, то для раздельного наблюдения звёзд потребуется окуляр. Но и в том и в другом случаях принципиальных трудностей для раздельного наблюдения звёзд как будто не имеется.
    В действительности дело обстоит иначе: такие трудности есть и вызываются они дифракцией света. До сих пор мы в наших рассуждениях полагали, что изображение звезды, даваемое объективом телескопа, есть точка. На самом же деле из-за дифракции света у границ отверстия объектива изображение звезды, даваемое даже самым лучшим, не имеющим никаких аберраций объективом,- не точка, а светлый кружок, окружённый кольцами, попеременно тёмными и светлыми. Освещённость колец значительно меньше освещённости центрального кружка и убывает с увеличением поперечника колец.
    Две звезды дадут изображение, состоящее из двух кружков и двух систем тёмных и светлых колец.
    Угол зрения между звёздами мал. Поэтому расстояние между центрами первого и второго кружков будет невелико по сравнению с поперечником кружков и может случиться так, что кружки настолько наложатся один на другой, что нельзя будет сказать, видит ли глаз только один кружок или два, наложенные один на другой. В этом случае видеть с помощью телескопа звёзды раздельно не удастся.
    Но если угол зрения между звёздами будет больше, так что между центрами дифракционных кружков окажется достаточно большой промежуток, то глаз сможет увидеть звёзды раздельно. Чем больше поперечник объектива, тем, при данном его фокусном расстоянии, меньше поперечник каждого дифракционного кружка. Наоборот, уменьшение поперечника объектива приводит к увеличению поперечника дифракционных кружков.
    Зрачок глаза также представляет собой отверстие, ограничивающее движение световых волн, а потому и он вызывает дифракцию света. Поперечник зрачка очень мал, но мало и фокусное расстояние глаза.
    Вследствие этого в глазу дифракционный кружок имеет небольшой поперечник, но большой, по сравнению с дифракционным кружком в телескопе, угловой размер. Поэтому невооружённый глаз не может разделить двойной звезды, которую легко разделяет телескоп, при пользовании которым дифракция у краёв зрачка исключается, а остаётся только дифракция у краёв объектива.
    Возникает вопрос: а нельзя ли избавиться от помех, вносимых дифракцией, путём увеличения фокусного расстояния объектива телескопа? Ведь при увеличении фокусного расстояния объектива возрастает расстояние между центрами кружков. Кружки должны раздвинуться, и звёзды можно будет наблюдать раздельно. Нет. Этот путь непригоден и вот почему. При увеличении фокусного расстояния объектива расстояние между кружками действительно возрастёт, но вместе с этим возрастёт, во столько же раз и поперечник кружков. Никакого выигрыша в отношении возможности раздельного наблюдения звёзд этот путь, следовательно, не даёт.
    Никакой пользы не получится также и от применения окуляра. Окуляр лишь увеличит видимые размеры кружков. Единственный способ, позволяющий сделать звёзды раздельно видимыми, состоит в увеличении поперечника объектива телескопа. При увеличении поперечника объектива поперечник кружков уменьшается, а расстояние между кружками остаётся неизменным. Кружки начинают разделяться, и наблюдатель различает, что имеются две звезды. В этом случае, как говорят оптики, объектив телескопа разрешает две звезды.
    Возможность видеть с помощью телескопа две близкие звезды раздельно определяется таким образом в первую очередь поперечником объектива телескопа. Чем больше поперечник объектива, тем меньше может быть угол зрения между двумя звёздами, которые телескоп позволяет видеть раздельно, и наоборот, телескоп, имеющий объектив с небольшим поперечником, позволяет видеть раздельно лишь те звёзды, угол зрения между которыми сравнительно велик.
    Тот минимальный угол зрения между двумя звёздами, при котором звёзды могут быть видны в данный телескоп ещё раздельно, называется разрешаемым углом телескопа.
    Величина разрешаемого угла для больших современных телескопов очень мала, то есть эти телескопы позволяют наблюдать раздельно две звезды, расположенные под очень малым углом зрения.
    Для наибольшего из современных телескопов, имеющего в качестве объектива зеркало поперечником 5 метров, величина разрешаемого угла равна всего лишь двадцати пяти тысячным долям секунды. Для невооружённого глаза разрешаемый угол между звёздами не менее 2,5 минут, то есть величина приблизительно в 6000 раз большая. Практически же, однако, величина разрешаемого угла пятиметрового телескопа, а также и всех других телескопов, оказывается по ряду причин значительно больше теоретически возможной. Одной из таких причин, наиболее существенной, являются помехи, вносимые атмосферой Земли. Об этом мы подробнее расскажем дальше.
    Сейчас же ещё раз вернёмся к рассмотрению вопроса о той роли, которую играет в телескопе окуляр, и рассмотрим действие окуляра телескопа уже с несколько иной точки зрения, учитывая те особенности, которые вносит в действие телескопа дифракция света.
    Мы уже ознакомились с теми особенностями, которые вносит дифракция света в изображение, даваемое объективом телескопа, и знаем, что из-за дифракции изображение звезды является не точкой, а кружком, поперечник которого определяется поперечником объектива.
    Две звезды дают изображение, состоящее из двух кружков, которые в некоторых случаях могут настолько наложиться один на другой, что видеть кружки раздельно даже и с помощью окуляра не удастся. Звёзды, дающие такое изображение, видеть раздельно нельзя.
    В связи с этим возникает вопрос: какую же роль играет в таком случае окуляр, нужен ли он вообще?
    Да, окуляр нужен и вот для чего. Пусть объектив телескопа направлен на две звезды, угол зрения между которыми равен разрешаемому углу телескопа. Объектив телескопа разрешает эти звёзды, то есть даёт такое изображение, при рассмотрении которого можно сказать, что оно создано двумя звёздами. В этом случае звёзды могут быть видны раздельно.
    Может, однако, быть и такой случай, когда видеть звёзды раздельно, несмотря на то, что они разрешаются объективом телескопа, не удастся. Это будет тогда, когда расстояние между центрами кружков, а значит, и между звёздами, будет видно глазу под углом зрения меньше 2,5 минуты. В этом случае раздельное наблюдение звёзд будет невозможно, но уже не вследствие дифракционных явлений, а вследствие известных вам особенностей глаза – неспособности глаза видеть раздельно две точки, угол зрения между которыми меньше, примерно, 2,5 минуты. Вот в этом-то случае и требуется применение окуляра.
    Рассматривая изображение, даваемое объективом телескопа, с помощью окуляра, можно увеличить угол зрения по сравнению с тем, который даёт невооружённый глаз. При увеличении угла зрения приблизительно до 2,5 минуты можно будет наблюдать звёзды раздельно. Использовать окуляры с еще большим увеличением, иначе говоря, раздвигать изображения звёзд еще больше не имеет смысла. Никаких новых сведений о рассматриваемых звёздах мы при больших увеличениях не получим.
    Этому будут препятствовать дифракционные явления. Больше того: большие увеличения могут принести даже и вред, так как при больших увеличениях глаз будет видеть те особенности изображения, которые вызываются дифракцией света и никакого прямого отношения к самим звёздам на имеют. Могут создаться ложные представления о рассматриваемом объекте.
    Значит, для каждого телескопа существует своё, вполне определённое максимальное увеличение. Это максимальное увеличение должно быть таким, чтобы, смотря в телескоп на две звезды, расположенные под углом зрения, равным разрешаемому углу, глаз как раз видел эти звёзды раздельно. Такое увеличение называют полезным увеличением. Величина полезного увеличения тем больше, чем больше поперечник объектива телескопа.
    Полезное увеличение наибольшего из современных телескопов равно приблизительно 6000 раз. Однако, как мы уже говорили, пользоваться столь большим увеличением на практике по ряду причин не удаётся. Одной из таких причин, наиболее существенной, являются помехи, вносимые атмосферой Земли.
    Идущие от далёкой звезды лучи света, прежде чем попасть на объектив телескопа, проходят через слой окружающего Землю воздуха. Плотность воздуха в различных частях слоя различна и быстро меняется во времени, вследствие чего правильность хода лучей нарушается.
    Это приводит к искажению изображения, даваемого объективом телескопа, что в свою очередь увеличивает величину разрешаемого угла и значительно снижает полезное увеличение телескопа. Для уменьшения помех, вносимых в наблюдения атмосферными явлениями, установка телескопов производится, как правило, в горных местностях.
    Те же затруднения, которые вызывает дифракция света при наблюдении двух звёзд, имеются и в том случае, когда в телескоп наблюдается небесное тело, видимое с Земли под сравнительно большим углом зрения, например планета. Изображение этого небесного тела, даваемое объективом телескопа, будет состоять из множества дифракционных кружков.
    Кружки накладываются один на другой, в результате чего даваемое объективом изображение не передаёт всех деталей строения небесного тела. Раздельно изображаются лишь те участки небесного тела, расстояние между которыми настолько велико, что они расположены под углом зрения большим, чем разрешаемый угол телескопа. Более мелких деталей глаз увидеть не сможет, ибо дифракционные кружки, соответствующие этим деталям, настолько налагаются один на другой, что раздельно видеть их нельзя.
    Ни формы, ни строения тех участков небесного тела, которые расположены под углом зрения, меньшим разрешаемого угла телескопа, видеть в телескоп нельзя. Каждый из таких участков будет виден как точка.
    Применение окуляров, дающих увеличение больше полезного, и в этом случае также, конечно, ничего не даст. Никаких новых деталей в строении небесного тела глаз при больших увеличениях всё равно не увидит, станут различными лишь те детали изображения, которые вызываются дифракционными явлениями. Эти же детали никакого прямого отношения к наблюдаемому небесному телу не имеют и могут лишь запутать наблюдателя.
    Таким образом, мы приходим к выводу о том, что повышать увеличение телескопа безгранично не имеет никакого смысла. Никаких новых сведений о строении небесного тела в этом случае получить невозможно. Имеет смысл повышать только полезное увеличение телескопа, для чего необходимо увеличивать поперечник объектива телескопа. Только тогда телескоп позволит открыть новые, неизвестные ранее детали строения далёких небесных тел.
    Как мы уже неоднократно говорили, самый большой из ныне существующих телескопов имеет в качестве объектива зеркало поперечником 5 метров. Это, конечно, не предел. В будущем будут построены ещё большие телескопы, которые откроют много новых тайн Вселенной.
    Переходим теперь к вопросу о влиянии дифракции света на действие микроскопа. Рассматривать этот вопрос столь же подробно, как это делалось по отношению к телескопу, мы не будем. Приведём лишь основные результаты, которые позволят уяснить главные, наиболее существенные черты этого вопроса.
    Последовательное и детальное изучение влияния дифракции на видимость в микроскоп малых предметов показывает, что вследствие дифракционных явлений видеть форму и строение любых, сколь угодно малых предметов с помощью микроскопа нельзя.
    Рассматривая, например, с помощью микроскопа два очень малых предмета, мы можем видеть их раздельно только в том случае, если расстояние между предметами будет примерно равно половине длины световой волны или будет больше этой величины. Два различных предмета или два участка одного и того же предмета, расположенные один от другого на расстоянии, меньшем половины длины световой волны, глаз раздельно уже не увидит. А это значит, что ни форму, ни строение тех деталей предмета, размеры которых меньше половины длины световой волны, видеть в микроскоп нельзя. Эти детали будут видны глазу точками. И причина этого заключается по-прежнему в дифракции света.
    То наименьшее расстояние между двумя предметами или двумя участками одного предмета, которые ещё видны в микроскоп раздельно, называется разрешаемым расстоянием микроскопа. Величина разрешаемого расстояния определяется, как мы уже сказали, длиной световой волны и будет тем меньше, чем меньше длина волны.
    Для наиболее коротких волн видимого света – фиолетовых – величина разрешаемого расстояния равна примерно двум десятитысячным долям миллиметра. Следовательно, производя освещение исследуемого предмета фиолетовым светом, мы можем видеть в микроскоп раздельно те детали предмета, расстояние между которыми будет не меньше двух десятитысячных долей миллиметра. Детали, расположенные на более близком расстоянии, раздельно видны не будут.
    Из всего сказанного становится ясно, что безгранично повышать увеличение микроскопа не имеет никакого смысла, как не имеет никакого смысла повышать безгранично к увеличение телескопа. Для микроскопа, как и для телескопа, существует (предельное) полезное увеличение.
    Величину полезного увеличения микроскопа можно определить следующим образом. Пусть освещение рассматриваемого предмета производится фиолетовым светом. В этом случае разрешаемое расстояние микроскопа равно двум десятитысячным долям миллиметра. Невооружённый глаз может видеть раздельно два протяжённых предмета, находящихся один от другого на расстоянии одной десятой доли миллиметра. Это расстояние в 500 раз больше разрешаемого.
    Следовательно, для того чтобы глаз мог видеть раздельно детали предмета, находящиеся на разрешаемом расстоянии, необходимо увеличить угол зрения между этими деталями предмета в 500 раз. Это и есть полезное увеличение микроскопа, работающего в лучах фиолетового света.
    На практике бывает целесообразно пользоваться в некоторых случаях и большими увеличениями, доходящими иногда до 1000 раз. Применение увеличений, больших полезного, имеет тот смысл, что оно позволяет глазу работать с меньшим напряжением. Но, конечно, никаких новых деталей предмета глаз при увеличениях, больших полезного, не увидит.
    Применение увеличений, больших 1000, вообще бесполезно и даже вредно. При столь больших увеличениях ясно выступают дифракционные явления, которые затрудняют наблюдения и могут привести к ошибочным заключениям о строении рассматриваемого предмета.
    Возникает вопрос: можно ли повысить полезное увеличение микроскопа, то есть существует ли возможность наблюдать в микроскоп раздельно детали предмета, расположенные одна от другой на расстоянии, меньшем двух десятитысячных долей миллиметра? Такая возможность в принципе есть; для этого необходимо использовать свет с длиной волны, меньшей, чем длины волн видимого света.
    Мы уже говорили о микроскопе Брумберга. В нём используется ультрафиолетовый свет с длиной волны почти в два раза меньшей, чем длина волны фиолетового света. Поэтому разрешаемое расстояние для микроскопа Брумберга почти в два раза меньше разрешаемого расстояния микроскопа, работающего в фиолетовом свете. Полезное увеличение микроскопа Брумберга равно почти 1000 раз. Однако применение ультрафиолетового света с ещё меньшей длиной волны уже невозможно, ибо большинство объектов, наблюдаемых в микроскоп, сильно поглощает короткий ультрафиолетовый свет.
    Несколько другой способ наблюдения мелких частиц, чем в обычном микроскопе, применяется в другом приборе, называемом ультрамикроскопом. Рассматриваемые в ультрамикроскоп частицы освещаются сильным боковым светом. Наблюдатель видит в окуляр яркие точки на фоне тёмного поля и обнаруживает, таким образом, присутствие частиц, размеры которых могут доходить всего лишь до пяти миллионных долей миллиметра. Однако получить представление о форме и строении частиц с помощью ультрамикроскопа нельзя.
    В 1932 году был изобретён новый прибор, который позволил уже увидеть форму и строение этих частиц. Называется этот прибор электронным микроскопом.
    Изобретение электронного микроскопа явилось одним из крупнейших достижений современной науки. Оно позволило человеку ещё дальше проникнуть в мир малых предметов и ещё полнее и глубже познать окружающую его природу.

  4. Moogull Ответить

    Разрешающая способность микроскопа

    Качество изображения определяется разрешающей способностью микроскопа, т.е. минимальным расстоянием, на котором оптика микроскопа может различить раздельно две близко расположенные точки. разрешающая способность зависит от числовой апертуры объектива, конденсора и длины волны света, которым освещается препарат. Числовая апертура (раскрытие) зависит от угловой апертуры и показателя преломления среды, находящейся между фронтальной линзой объектива и конденсора и препаратом.
    Угловая апертура объектива – это максимальный угол (AOB), под которым могут попадать в объектив лучи, прошедшие через препарат. Числовая апертура объектива равна произведению синуса половины угловой апертуры на показатель преломления среды, находящейся между предметным стеклом и фронтальной линзой объектива. N.A. = n • sin? где, N.A. – числовая апертура; n – показатель преломления среды между препаратом и объективом; sin? – синус угла ? равного половине угла АОВ на схеме.
    Таким образом, апертура сухих систем (между фронтальной линзой объектива и препаратом-воздух) не может быть более 1 (обычно не более 0,95). Среда, помещаемая между препаратом и объективом, называется иммерсионной жидкостью или иммерсией, а объектив, рассчитанный для работы с иммерсионной жидкостью, называют иммерсионным. Благодаря иммерсии с более высоким показателем преломления чем у воздуха, можно повысить числовую апертуру объектива и, следовательно, разрешающую способность.
    Числовая апертура объективов всегда гравируется на их оправах.
    Разрешающая способность микроскопа зависит также от апертуры конденсора. Если считать апертуру конденсора равной апертуре объектива, то формула разрешающей способности имеет вид R=?/2NA, где R – предел разрешения; ? – длина волны; N.A – числовая апертура. Из этой формулы видно, что при наблюдении в видимом свете (зеленый участок спектра – ?=550нм), разрешающая способность (предел разрешения) микроскопа не может быть > 0,2мкм

    Влияние числовой апертуры объектива микроскопа на качество изображения

    Объектив с достаточной апертурой (видны отдельные клетки)
    Объектив с низкой апертурой (недостаточная апертура объектива )

    Пути повышения оптической разрешающей способности

    Выбор большого угла светового конуса, как со стороны объектива, так и со стороны источника освещения. Благодаря этому, возможно, собрать в объективе более преломленные лучи света от очень тонких структур. Таким образом, первый путь повышения разрешения – это использование конденсора, числовая апертура которого соответствует числовой апертуре объектива.
    Второй способ – использование иммерсионной жидкости между фронтальной линзой объектива и покровным стеклом. Так мы воздействуем на показатель преломления среды n, описанный в первой формуле. Его оптимальное значение, рекомендуемое для иммерсионных жидкостей, составляет 1.51.

    Иммерсионные жидкости

    Иммерсионные жидкости необходимы для увеличения числовой апертуры и соответственно повышения разрешающей способности иммерсионных объективов, специально рассчитанных для работы с этими жидкостями и, соответствующим образом, маркированными. Иммерсионные жидкости, помещенные между объективом и препаратом, имеют более высокий показатель преломления, чем воздух. Поэтому, отклоненные мельчайшими деталями объекта лучи света, не рассеиваются, выходя из препарата, и попадают в объектив, что приводит к повышению разрешающей способности.
    Существуют объективы водной иммерсии (маркированные белым кольцом), масляной иммерсии (черное кольцо), глицериновой иммерсии (желтое кольцо), монобромнафталиновой иммерсии (красное кольцо). В световой микроскопии биологических препаратов применяются объективы водной и масляной иммерсии. Специальные кварцевые объективы глицериновой иммерсии пропускают коротковолновое ультрафиолетовое излучение и предназначены для ультрафиолетовой (не путать с люминесцентной) микроскопии (то есть для изучения биологических объектов, избирательнопоглощающих ультрафиолетовые лучи). Объективы монобромнафталиновой иммерсии в микроскопии биологических объектов не используются.
    В качестве иммерсионной жидкости для объектива водной иммерсии используется дистиллированная вода, масляной иммерсии – природное (кедровое) или синтетическое масло с определенным показателем преломления.
    В отличие от других иммерсионных жидкостей масляная иммерсия является гомогенной, так как имеет показатель преломления равный или очень близкий показателю преломления стекла. Обычно этот показатель преломления (n) рассчитан для определенной спектральной линии и определенной температуры и указывается на флаконе с маслом. Так, например, показатель преломления иммерсионного масла для работы с покровным стеклом для спектральной линии D в спектре натрия при температуре =20°С равен 1,515 (nD 20 = 1,515 ), для работы без покровного стекла (nD 20 = 1,520).
    Для работы с объективами-апохроматами нормируется также дисперсия, то есть разность показателей преломления для различных линий спектра.
    Использование синтетического иммерсионного масла предпочтительнее, поскольку его параметры более точно нормируются, и оно в отличие от кедрового, не засыхает на поверхности фронтальной линзы объектива.
    Учитывая вышесказанное, ни в коем случае нельзя пользоваться суррогатами иммерсионного масла и, в частности, вазелиновым маслом. При некоторых способах микроскопии для увеличения апертуры конденсора, иммерсионная жидкость (чаще дистиллированная вода) помещается между конденсором и препаратом.
    С иммерсионным маслом

    Без иммерсионного масла

  5. Tajas Ответить

    Разрешающая способность глаза ограничена. Разрешающая способность характеризуется разрешаемым расстоянием, т.е. минимальным расстоянием между двумя соседними частицами, при котором они еще видимы раздельно. Разрешаемое расстояние для невооруженного глаза составляет около 0,2 мм. Для увеличения разрешающей способности используют микроскоп. Для исследования строения металлов микроскоп был впервые применен в 1831 году Аносовым П.П., изучавшим булатную сталь, и позднее, в 1863 году англичанином Г. Сорби, изучавшим метеоритное железо.
    Разрешаемое расстояние определяется соотношением:

    где l – длина волны света, идущего от объекта исследования в объектив, n – показатель преломления среды, находящейся между объектом и объективом, и a – угловая апертура, равная половине угла раскрытия, входящего в объектив пучка лучей, дающих изображение. Эта важная характеристика объектива выгравирована на его оправе.
    У хороших объективов максимальный апертурный угол a = 70° и sina » 0,94. В большинстве исследований применяют сухие объективы, работающие в воздушной среде (n = 1). Для уменьшения разрешаемого расстояния используют иммерсионные объективы. Пространство между объектом и объективом заполняют прозрачной жидкостью (иммерсией) с большим показателем преломления. Обычно используют каплю кедрового масла (n = 1,51).
    Если для видимого белого света принять l = 0,55 мкм, то минимальное разрешаемое расстояние светового микроскопа:

    Таким образом, разрешающая способность светового микроскопа ограничена длиной волны света. Объектив дает увеличение промежуточного изображения объекта, которое рассматривается в окуляр, как в лупу. Окуляр увеличивает промежуточное изображение объекта и не может повысить разрешающей способности микроскопа.
    Общее увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра. На металлографических микроскопах производят исследования структуры металлов с увеличением от 20 до 2000 раз.
    Начинающие делают обычную ошибку, стремясь рассматривать структуру сразу же при большом увеличении. Следует иметь в виду, что чем больше увеличение объекта, тем меньший участок виден в поле зрения микроскопа. Поэтому рекомендуется начинать исследование с использования слабого объектива, чтобы вначале оценить общий характер структуры металла на большой площади. Если же начинать микроанализ с использования сильного объектива, то многие важные особенности структуры металла могут быть не замечены.
    После общего просмотра структуры при малых увеличениях микроскопа выбирают объектив с такой разрешающей способностью, чтобы увидеть все необходимые самые мелкие детали структуры.
    Окуляр выбирают так, чтобы четко были видны детали структуры, увеличенные объективом. При недостаточном увеличении окуляра мелкие детали промежуточного изображения, созданного объективом, не будут увидены в микроскоп, и, таким образом, разрешающая способность объектива полностью не будет использована. При слишком большом увеличении окуляра новые детали структуры не выявляются, в то же время контуры уже выявленных деталей окажутся размытыми, а поле зрения станет более узким. Собственное увеличение окуляра выгравировано на его оправе (например, 7х).
    При выбранном объективе рекомендуется взять такой окуляр, чтобы общее увеличение микроскопа находилось в интервале 500 – 1000. Более высокое увеличение микроскопа, не выявляя новых деталей структуры, ухудшает резкость изображения.

Добавить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *