Прилади й приналежності:
мікроскоп біологічний, освітлювач, мікрометр, міліметрова лінійка, предметне скло з тонким дротом, предметне скло з волосом, гістологічний препарат поперечно-смугастої м'язи, підставка для замальовки зображення.
вивчити мікроскоп, визначити збільшення мікроскопа і лінійний розмір малого об'єкта.
Поняття з оптики, які використовуються в посібнику:
1. Лінза - прозоре тіло, обмежене двома сферичними поверхнями, одна з поверхонь може бути плоскою.
Тонка лінза - лінза товщина якої мала в порівнянні з радіусом її кривизни.
Оптична система - система з декількох лінз.
Головна оптична вісь лінзи - пряма, що проходить через центри всіх її сферичних поверхонь.
Головна оптична вісь системи - пряма, на якій лежать центри всіх її сферичних поверхонь.
Збирає лінза - лінза, що перетворює падаючий на неї пучок паралельних променів в сходиться пучок.
Оптичний центр тонкої лінзи - точка, розташована на головній оптичній осі, через яку промінь світла проходить не змінюючи свого напрямку. Зазвичай збігається з геометричним центром лінзи.
Оптичний центр очі - умовна точка модельного очі, при проходженні через яку промінь не змінює свого напрямку.
Головний фокус лінзи - точка, в якій перетинаються після заломлення промені, які падають на лінзу паралельно її головної оптичної осі. Відповідно до напрямком поширення променя розрізняють передній і задній головні фокуси
Фокальні площині - площині, що проходять через головні фокуси лінзи перпендикулярно до її головної оптичної осі. Паралельні промені, які падають на лінзу під будь-яким кутом до головної оптичної осі, перетинаються в фокальній площині.
Фокусна відстань - відстань від оптичного центру тонкої лінзи до її головного фокуса.
Відстань найкращого зору - найменша відстань від предмета до ока, при якому око дає різке зображення при мінімальному напрузі акомодації. Для нормального ока воно становить 25 см.
Кут зору - кут, утворений променями, що йдуть від крайніх точок предмета через оптичний центр очі.
Іммерсійна система - об'єктив мікроскопа, у якого простір між першою лінзою і розглядаються предметом заповнений рідиною з великим показником заломлення, званої иммерсионной.
Оптична система і принцип дії мікроскопа
Мікроскоп являє собою комбінацію двох короткофокусних оптичних систем - об'єктива і окуляра.
об'єктива - кілька міліметрів,
окуляра - кілька сантиметрів.
Схема оптичної системи мікроскопа і хід променів в ньому показані на рис.1. Співвідношення між фокусною відстанню і оптичною довжиною тубуса обрані умовно.
Об'єктив і окуляр зображені у вигляді двох збирають лінз Про і Ок. Малий об'єкт АВ поміщається на предметному столику перед об'єктивом на відстані трохи більшій його фокусної відстані.
Зображення на рис.1 будувалося згідно з правилами побудови зображення в тонких лінзах для найбільш простого випадку. Коли об'єкт знаходиться на головній оптичній осі. Луч 1 йде з точки В паралельно головній оптичній осі ОО1 і після заломлення в об'єктиві проходить через його задній головний фокус Fоб. Луч 2 йде з точки В без заломлення через оптичний центр об'єктива О. В місці перетину цих променів лежить точка В1 - зображення точки В. Опустимо перпендикуляр з цієї точки на головну оптичну вісь і отримаємо точку А1 проміжного зображення А1 В1.
Таким чином за допомогою об'єктива отримуємо дійсне, збільшене, зворотне проміжне зображення в площині, що лежить обов'язково за переднім головним фокусом окуляра Fок.
Аналогічно за допомогою променів 1 'і 2' будуємо остаточне зображення, створюване окуляром. Після заломлення в окулярі ці промені утворюють розходиться пучок і тому не перетинаються. Продовжимо їх у зворотний бік, точка перетину В2 є уявним зображенням точки В1. а відрізок А2 В2 - остаточним зображенням об'єкта АВ, збільшеним, уявним і зворотним щодо об'єкта, що лежить на відстані найкращого зору S. Це зображення і розглядає очей: розходиться пучок променів 1 'і 2' з окуляра входить в око, заломлюється його оптичною системою і утворює на сітківці дійсне зображення. При роботі з мікроскопом очей розташовується так, щоб його оптичний центр збігався з заднім головним фокусом окуляра Fок. Тому відстань найкращого зору умовно відміряють від цієї точки.
Збільшення, здобута мікроскопом, показує, у скільки разів величина зображення об'єкту більше величини самого об'єкта (рис.1)
З подоби трикутників ОСF'об і А1 В1 F'об і рівності АВ = ОС, F'об А1 отримуємо
де - оптична довжина тубуса - відстань між заднім фокусом об'єктива і переднім фокусом окуляра; S - відстань найкращого зору; fоб. Fок - фокусні відстані об'єктива і окуляра. Після підстановки в вираз (2) формул (3) і (4) отримуємо
Збільшення об'єктива і окуляра вказуються на їх оправі, наприклад, у об'єктива: 8,20,40,60; у окуляра: 7x, 10x, 15x.
Роздільної здатності мікроскопа
Роздільна здатність мікроскопа - властивість мікроскопа давати окремо зображення дрібних деталей розглянутого предмета.
Межа дозволу - це найменша відстань між двома точками, які видно в мікроскопі окремо.
Чим менше межа дозволу, тим вище роздільна способностьмікроскопа. Межа дозволу обумовлює найменший розмір деталей, які можуть відрізнятися в препараті за допомогою мікроскопа.
Теорію роздільної здатності мікроскопа розробив директор заводу К.Цейса в Єні професор-оптик Е.Аббе (1840-1905). В якості найпростішого мікропрепарату він взяв дифракційну решітку, вивчив механізм формування зображення в мікроскопі і показав наступне.
Введемо понятіеапертурного кута - це кут між крайніми променями конічного світлового пучка, що йде від середини об'єкта в об'єктив (Рис. 3а).
Для створення зображення, тобто для вирішення об'єкта, досить, щоб в об'єктив потрапили промені, що утворюють максимуми тільки нульового і першого порядку хоча б з одного боку (Рис. 2 і 3б). Участь в освіті зображення променів від більшої кількості максимумів підвищує якість зображення, його контраст. Тому промені, що утворюють ці максимуми, повинні бути в межах апертурного кута об'єктива.
Таким чином, якщо об'єктом є дифракційна решітка з періодом d і світло падає на неї нормально (Рис.2 і 3б), то у формуванні зображення обов'язково повинні брати участь промені, що утворюють максимуми нульового і першого порядків з обох сторін, а кут 1 - кут відхилення променів, що утворюють максимум першого порядку, відповідно повинен бути, в крайньому випадку, дорівнює куту U / 2. Якщо ж взяти решітку з меншим періодом d ', то кут '1 буде більше кута U / 2 і зображення не виникне. Значить період решітки d можна прийняти за межу дозволу мікроскопа Z. Тоді, використовуючи формулу дифракційної решітки, запишемо для k = 1:. Замінюючи d на Z, а 1 на U / 2, отримаємо (6)
Під час мікроскопії світлові промені падають на об'єкт під різними кутами. При похилому падінні променів (Ріс.3г) межа дозволу зменшується, так як у формуванні зображення будуть брати участь тільки промені, що утворюють максимуми нульового порядку і першого порядку з одного боку, а кут 1 буде дорівнює апертурному кутку U. Розрахунки показують, що формула для межі дозволу в цьому випадку приймає наступний вигляд
1 фронтальна лінза об'єктива, 2 - об'єктив.
Якщо простір між об'єктом і об'єктивом заповнити иммерсионной середовищем з показником заломлення n, який більше показника заломлення повітря, то довжина хвилі світла буде дорівнює n = n. Підставляючи цей вираз в формулу для межі дозволу (7), отримаємо
Таким чином формула (7) визначає межу дозволу для мікроскопа з сухим об'єктивом, а формула (8) для мікроскопа з іммерсійним об'єктивом. Величини sin0.5U і nsin0.5U в цих формулах називають числовою апертурою об'єктива і позначають буквою А. З огляду на це, формулу межі дозволу мікроскопа в загальному вигляді записують так. (9).
Як видно з формул (8) і (9), роздільна здатність мікроскопа залежить від довжини хвилі світла, величини апертурного кута, показника заломлення середовища між об'єктивом і об'єктом, кута падіння світлових променів на об'єкт, але вона не залежить від параметром окуляра. Окуляр ніякої додаткової інформації про структуру об'єкта не дає, якості зображення не підвищує, він лише збільшує проміжне зображення.
Роздільна здатність мікроскопа може бути підвищена за рахунок використання іммерсіі і зменшення довжини хвилі світла.
Підвищення роздільної здатності при використанні іммерсіі можна пояснити наступним чином. Якщо між об'єктивом і об'єктом знаходиться повітря (сухий об'єктив), то світловий промінь при переході з покривного скла в повітря, середу з меншим показником заломлення, значно змінює свій напрямок в результаті заломлення, тому менше променів потрапляє в об'єктив. При використанні иммерсионной середовища, показник заломлення якої приблизно дорівнює показнику заломлення скла, зміна ходу променів в середовищі не спостерігається і велика кількість променів потрапляє в об'єктив.
Як иммерсионной рідини беруть воду (n = 1,33), кедрова олія (n = 1,515) і ін. Якщо максимальний апертурний кут у сучасних об'єктивів досягає 140 0. то для сухого об'єктива А = 0,94, а для об'єктива з масляною иммерсией А = 1,43. Якщо при розрахунку використовувати довжину хвилі світла = 555 нм, до якої найбільш чутливий очей, то межа дозволу сухого об'єктива складе 0,30 мкм, а з масляною иммерсией - 0,19 мкм. Значення числової апертури вказується на оправі об'єктива: 0,20; 0,40; 0,65 і ін.
Підвищення роздільної здатності оптичного мікроскопа за рахунок зменшення довжини хвилі світла досягається при використанні ультрафіолетового випромінювання. Для цього є спеціальні ультрафіолетові мікроскопи з кварцовою оптикою і пристосуваннями для спостереження і фотографування об'єктів. Так як в цих мікроскопах використовується світло з довжиною хвилі приблизно в два рази менше, ніж у видимого світла, то вони здатні вирішувати структури препарату розмірами близько 0,1мкм. Ультрафіолетова мікроскопія має ще одну перевагу - з її допомогою можна досліджувати незабарвлені препарати. Більшість біологічних об'єктів прозорі у видимому світлі, так як не поглинають його. Однак вони володіють виборчим поглинанням в ультрафіолетової області і, отже, легко помітні в ультрафіолетових променях.
Найбільша роздільна здатність у електронного мікроскопа. Так як довжина хвилі при русі електрона в 1000 разів менше довжини світлової хвилі.