Оптична мікроскопія

<83 84 858687 88 89 >

Перейдемо до розгляду оптичної системи мікроскопа і його основних характеристик. Мікроскоп являє собою ЦОС, яка у найпростішому випадку складається з двох лінз: об'єктива і окуляра. Хід променів у мікроскопі зображений нарис. 6.18.

Рис. 6.18. Схематичний хід променів у мікроскопі.

У мікроскопі предмет розміщується безпосередньо за переднім фокусом об'єктива (Об). В такому випадку його зображення буде дійсним, оберненим, збільшеним і знаходитиметься за подвійним фокусом об'єктива. Бажано, щоб окуляр (Ок) розміщувався так, щоб площина, в якій лежить зображення знаходилася у фокальній площині окуляра або між його переднім фокусом і самим окуляром, але в безпосередній близькості від фокуса В першому випадку око не напружується, оскільки до нього йдуть паралельні промені. В другому випадку потрібна акомодація (див. параграф 6.7, де викладаються біофізичні основи зорової рецепції), щоб зібрати промені, що розходяться після заломлення в окулярі, на сітківку ока.

Розглянемо перший випадок. Як видно з рис. 6.18, зображення предмета знаходиться у фокальній площині окуляра, і тому всі промені після заломлення в

окулярі йдуть від цього зображення паралельно до побічної вісі, яка з'єднує точку і оптичний центр лінзи окуляра Заломлююча система ока, яка має в середньому оптичну силу фокусує ці паралельні промені на сітківку, де виникає зображення реального предмета

Збільшення мікроскопа як і збільшення будь-якої ЦОС, визначається добутком збільшення лінз, що входять до її складу:

(6.11)

де - оптична довжина тубуса - відстань між заднім головним фокусом об'єктива і переднім головним фокусом окуляра, - відстань найкращого зору

Таким чином, теоретичне збільшення мікроскопа дорівнює відношенню добутку оптичної довжини тубуса на відстань найкращого зору до добутку фокусних відстаней об'єктива і окуляра.

Основні характеристики мікроскопа - роздільна здатність, межа розрізнення і корисне збільшення.

Роздільна здатність - властивість мікроскопа давати окремо зображення двох, поряд розміщених, світлих точок предмета.

Теорія роздільної здатності мікроскопа була розроблена Е. Аббе, а потім Л. І. Мандельштамом і Д. С. Рождественським. Роздільна здатність мікроскопа зумовлена хвильовими властивостями світла і передусім дифракційними явищами. Вона визначається роздільною здатністю об'єктива, в який входять промені світла, що дифрагують на структурних деталях предмета, і залежить, таким чином, від апертурного кута і довжини хвилі. Роздільна здатність є характеристикою, яка обернена до межі розрізнення - найменшої відстані між: двома світлими точками предмета, які сприймаються в мікроскопі окремо. Чим менша межа розрізнення, тим вища роздільна здатність оптичного приладу.

В теорії Аббе формула для межі розрізнення має такий вигляд для "сухого" мікроскопа:

При використанні імерсійного об'єктива (тобто у разі, коли між предметом і об'єктивом розміщена рідина з показником заломлення значно збільшується яскравість зображення і роздільна здатність мікроскопа. У цьому випадку формула для межі розрізнення набуває вигляду

(6.12)

Величина називається числовою апертурою. Оцінимо цю величину. Максимальна кутова апертура тоді для сухого об'єктива а для імерсійного якщо Використовуючи світло з до якого найбільш чутливе людське око, отримаємо для межі розрізнення такі значення: для сухого мікроскопа а для імерсійного мікроскопа Не має сенсу нескінченно зменшувати оскільки деталі предмета повинні розрізнятися і оком. Реальне збільшення мікроскопа визначається так званим корисним збільшенням яке визначається співвідношенням

де - межа розрізнення ока, тобто розмір зображення на сітківці ока предмета, який має величину, що співпадає з межою розрізнення мікроскопа на відстані найкращого зору

Нормальне око розрізняє дві точки, кутові відстані між якими мають порядок 2'- 4', тобто декілька кутових хвилин. Тоді для такої кутової відстані межа розрізнення ока становить

Таким чином, корисне збільшення мікроскопа

Тоді для сухого мікроскопа при і числовій апертурі маємо

а для імерсійного мікроскопа з числовою апертурою

Отже, у звичайному оптичному мікроскопі корисне збільшення не може перевищувати значення Ці збільшення називають корисними, тому що при них око розрізняє всі елементи структури об'єкта, які розрізнені мікроскопом.

Для вирішення різноманітних завдань у біологічних дослідженнях використовують різні методи спостереження об'єктів за допомогою мікроскопа, основними з них є такі:

- методи світлого і темного полів у відбитих променях або променях, що проходять крізь об'єкт;

- методи спостереження в поляризованому і люмінесцентному світлі;

- метод фазового контрасту;

- метод ультрамікроскопії та ін.

ПОЛЯРИЗАЦІЯ СВІТЛА

Електромагнітні хвилі, як відомо, є поперечними. У випромінюванні різних джерел (розжарених твердих тіл, газів, що світяться) внаслідок хаотичного руху елементарних джерел світла - атомів та молекул - присутні всілякі напрямки коливань вектора напруженості електричного поля Таке випромінювання називається природний (рис. 6.19а). Якщо спроектувати всі вектори що присутні у природному світлі, на дві взаємно перпендикулярні площини А та В, що проходять через світловий промінь, то суми проекцій на площини А та В виявляються однаковими (рис. 6.19б). Тому природне світло умовно позначають так, як це подано на рис. 6.19в.

Рис. 6.19. Проекції векторів напруженості електричного поля в природному світлі: на площину, перпендикулярну променю а, на дві взаємно перпендикулярні площини А та В 6 та умовне позначення природного світла В.

Випромінювання, в якому коливання вектора Е відбуваються лише в одному напрямку, називається поляризованим (наприклад, випромінювання електрона в поодинокому акті). Площина, в якій розташовані вектор та вектор що визначає напрямок поширення випромінювання (тобто світловий промінь), називається площиною поляризації. На рис. 6.20а зображена площина поляризації А, а на рис. 6.20б наведені умовні позначення поляризованого світла.

Рис. 6.20. Площина поляризації а та умовне позначення поляризованого світла б.

Світло, в якому коливання вектора Е одного напрямку переважає коливання інших напрямків, називається частково поляризованим. Співвідношення символічних позначень характеризує ступінь поляризації (рис. 6.21). Поляризоване світло можна одержати з природного за допомогою приладів, що називаються поляризаторами.