Микроскопы

Изображение предмета на сетчатке глаза зависит от того, под каким углом мы видим предмет. Если на закопченное стекло вы положите двухкопеечную монету и, отставив его сантиметров на 20 от глаза, посмотрите на Солнце, то, двигая по стеклу монету, вы легко закроете наше светило так, что в глаз его свет совершенно не попадет. Диаметр Солнца равен 1 млн. 391 тыс. км, но оно удалено от Земли на 150 млн. км и его изображение на сетчатке примерно в 10 раз меньше, чем изображение монеты, отстоящей от глаза на 20 см. Это объясняется тем, что Солнце мы видим под углом 32', а монету под углом 5°. Угол, под которым мы видим предмет, образуют лучи, идущие от контуров предмета к зрачку. Этот угол называют угловым диаметром предмета. Так, угловой диаметр Солнца равен 32'. Угловым диаметром и определяется видимый глазом размер предмета. Если две точки находятся на таком расстоянии от глаза, что они видны под углом меньшим 1', то они сливаются на сетчатой оболочке. Это означает, что разрешающая способность глаза не превышает одной угловой минуты. Хрусталик не может отчетливо изобразить предмет на сетчатке, если этот предмет находится на расстоянии меньше 10 см. Для этого недостаточна максимальная кривизна хрусталика, создаваемая мышцами глаза. Поэтому очень малые предметы приходится рассматривать в микроскоп (рис. 6). Прибор увеличивает угол, под которым виден предмет. Увеличение оптических микроскопов в наши дни превосходит 2000. Ну а если за одним микроскопом, увеличивающим в 2000 раз, поставить другой, такой же силы, то увеличение уже будет 2000 X 2000 - в 4 млн. раз! Однако при таком увеличении мы не увидим никаких новых подробностей. Наоборот, изображение предмета будет размазано. Посмотрите в лупу на фотографию, напечатанную в газете. Если лупа сильна, то вы все равно не увидите новых деталей, а изображение потеряет свою четкость. Большое увеличение не помогает. Так же и в микроскопе: излишнее увеличение не поможет рассмотреть предмет, размеры которого меньше длины световой волны, Такие предметы свет огибает по законам дифракции.

Рис. 6. Оптический микроскоп.

Размеры предметов, еще различимых с помощью микроскопа, должны быть не меньше длины световой волны его осветителя. Минимальные размеры предмета, различимого в оптический микроскоп, определяются формулой d=0,61*лямбда/А . Постоянная А в этой формуле приблизительно равна единице. Для зеленого света величина d равна 0,3 мкм. Чтобы видеть такой предмет под углом зрения большим 1', достаточно его увеличить в 1000 раз, Можно освещать микроскопический предмет более коротковолновым ультрафиолетовым излучением, а потом с помощью особых светящихся экранов переводить его в видимый. Однако на этом много не выиграешь. Дело в том, что нет материалов, из которых можно сделать линзы коротковолнового микроскопа. Все вещества непрозрачны для коротковолновых ультрафиолетовых лучей. Лучшие материалы - кварц и флюорит. Но и кварц непрозрачен для излучений с длинами волн короче 0,18 мкм, а рекордсмен флюорит прозрачен до 0,12 мкм. Эта длина волны только в три раза меньше граничной волны видимого излучения. Конечно, можно создать зеркальный микроскоп для коротких длин волн, но такой микроскоп сложнее микроскопа с линзами, и, кроме того, коротковолновое ультрафиолетовое излучение разрушает рассматриваемые предметы, особенно органические вещества. Изображение предмета можно получить не только с помощью световых лучей, но и при помощи пучков заряженных частиц, например электронов.

В лабораторию биолога принесли препарат, содержащий вирусы. В оптический микроскоп эти микроскопические тела невидимы, поэтому используют сложный электронный микроскоп. На очень тонкую коллодиевую пленку толщиной всего 0,01 мкм наносят каплю воды с вирусами, и затем пленка высушивается и закладывается на предметный столик электронного микроскопа. Из специального источника на нее падает параллельный пучок электронов (рис. 7). Разные части вируса рассеивают электроны по-разному, так как тело его неоднородно. Плотные части вируса рассеивают электроны сильнее, поэтому от этих частей меньшая доля проходит через отверстие (2) - апертурную диафрагму микроскопа. Электронная линза (1) собирает в точке В электроны, вышедшие из вируса в точке А расходящимся пучком, и так, точку за точкой, линза дает изображение предмета на светящемся под действием электронов экране S. В местах изображения, которые соответствуют более плотным, а значит сильнее рассеивающим электроны, частям вируса, будет наименьшая плотность электронного тока. На экране эти места окажутся темными, а менее плотные части, слабо рассеивающие электроны, окажутся светлее.

Рис. 7. Электронный микроскоп и оптическая схема электронного микроскопа.

Мы рассмотрели только главную часть электронного микроскопа. На самом деле в нем после первой линзы нет никакого экрана, а полученное в плоскости S изображение служит, как и в оптическом микроскопе, объектом для второй линзы, которая и дает изображение на экране, светящемся под действием электронов. Это изображение экспериментатор рассматривает в лупу. Электронный микроскоп позволяет различить гораздо более мелкие детали, чем оптический, - у него колоссальная разрешающая способность.

В 20-х годах XX в. французский ученый Л. де Бройль высказал смелую мысль: связь между длиной световой волны фотона и его количеством движения лямбда= h/p справедлива и для частиц, обладающих массой покоя. Опытным путем это положение было подтверждено. Движущийся со скоростью u электрон действительно ведет себя как волна, длина которой лямбда= h/mv где h - постоянная Планка, т - масса электрона. Обычно электроны в микроскопах разгоняются напряжением порядка 15000 В. После этого их скорость достигает 72 000 км/с, а длина волны 0,01 нм. Получается, что длина волны таких электронов в 50 000 раз короче световой волны зеленого света. Поэтому и дифракция в электронном микроскопе сказывается мало. Наименьшие размеры предметов, которые можно различать в электронном микроскопе, очень малы - несколько десятых нанометра (несколько ангстремов). Это в сотни раз меньше того, что дает оптический микроскоп. Разрешаемые размеры в электронном микроскопе ограничиваются не дифракцией, а несовершенством электронных линз.

перейти к началу страницы