Определение предела разрешения и разрешающей способности объектива микроскопа

Арендный блок

Задание для студентов по лабораторной работе №17

«Определение предела разрешения и разрешающей способности объектива микроскопа»

Цель работы: Изучить устройство биологического микроскопа и  научиться определять с помощью микроскопа размеры малых объектов, научиться  находить разрешающую способность и полезное увеличение микроскопа.

Вопросы теории (исходный уровень):

Ход лучей в микроскопе. Увеличение и предел разрешения оптических микроскопов. Формула Аббе. значение апертурного угла. Ультрафиолетовый микроскоп.Иммерсионные системы.Полезное увеличение.Специальные приемы микроскопии.

Основы электронной микроскопии. Длина волны де Бройля. Предел разрешения электронного микроскопа.

Определение цены деления окулярной шкалы и линейных размеров микрообъёктов оптическим микроскопом. (Самостоятельная подготовка)

Содержание занятия:

1.Выполнить работу по указаниям в руководстве к данной работе.

2.Оформить отчет.

3.Защитить работу с оценкой

4. Решить задачи.

Задачи.

1.На каком расстоянии от вогнутого зеркала с фокусным расстоянием 12 см нужно поместить глаз наблюдателя, чтобы он увидел его прямое изображение на расстоянии своего наилучшего зрения 32 см? Чему равно увеличение зеркала?

2.Чем может быть вызвано появление ложных структур при наблюдении мелких объектов в микроскоп?

3.При определении качества обработки поверхности очковых стекол пользуются оптическим микроскопом. Какова должна быть минимальная числовая апертура шириной до 0,006 мм при отсутствии их скоплений? Длину волны света считать равной 555 ммк.

4.В отличие от обычного в иммерсионном микроскопе между покровным стеклом и линзой объектива вводят каплю прозрачного масла с показателем преломления примерно равным показателю преломления стекла. Почему уменьшается при этом предел разрешения микроскопа?

5.Определить числовую апертуру иммерсионного объектива микроскопа, если его апертурный угол равен 700, а иммерсионной средой является кедровое масло (п =1,51).

 

Лабораторная работа №17

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА РАЗРЕШЕНИЯ И РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОБЪЕКТИВА МИКРОСКОПА

Цель: Изучить устройство биологического микроскопа и научиться определять с помощью микроскопа предел разрешения, разрешающую способность и полезное увеличение объектива микроскопа.

Оборудование: микроскоп, измерительные миллиметровые линейки, линейка с двумя подвижными шторками

Предел разрешения микроскопа – наименьшее расстояние между двумя точками предмета, когда эти точки различимы.

Предел разрешения микроскопа можно рассчитать по формуле (1):

Z = 0.5  / (n sin( /2))     (1)

где  - длина волны используемого света, n=1 (n- показатель преломления среды). Эта формула используется в случае бокового освещения (или освещения косыми лучами) исследуемого объекта (без осветительного зеркала). Для точных расчетов необходимо освещать микроскоп монохроматическим светом, однако, мы будем использовать естественный. Естественный свет является суперпозицией волн с различными длинами волн. Для расчетов необходимо взять ту длину волны, к которой глаз человека наиболее чувствителен. Это 555 нм при дневном освещении. Если брать  в нм, то и предел разрешения также получится в нм, поскольку sin( /2)- величина безразмерная.  - апертурный угол.

Поскольку длина волны известна, то для нахождения предела разрешения необходимо знать только синус половины апертурного угла.

Ход работы:

  1.  На предметный столик микроскопа (без осветительного зеркала) поместить черную светонепроницаемую бумагу с круглым отверстием в центре,
  2.  вращением микрометрического винта получить четкое изображение отверстия,
  3.  с тубуса снять окулярная линза (рис.1).

Свет, проходя через отверстие, будет распространяться в виде конического пучка (конуса). Если посмотреть в тубус микроскопа, то будет видно светлое пятно - основание конуса. Пятно видно не резко, т.к. передний фокус глаза не совпадает с плоскостью, в которой сформировано изображения от объектива. sin( /2) определяется из прямоугольного треугольника (рис.1).

                   (2)

Тогда предел разрешения микроскопа:

                                                   (3)

Для вычисления предела разрешения микроскопа необходимо измерить катеты прямоугольного треугольника.

  1.  Измерить с помощью измерительной линейки катет a (расстояние от предметного столика до изображения на линейке со шторками).
  2.  Измерить катет b с помощью линейки с подвижными шторками (рис.2):
    •  сдвинуть шторки, расположенные не линейке. На черных шторках пятно (основание конуса) не будет видно;
    •  глядя в микроскоп, осторожно раздвигать шторки, пока пятно полностью не появится;
    •  по линейке определить расстояние между шторками 2b (диаметр пятна). Разделив его на два, узнаем величину катета b.
  3.  Определить предел разрешения микроскопа по формуле (3).

Рис. 2. Линейка для определения размеров изображения точечного источника света в объективе

  1.  Провести эксперимент для двух объективов с увеличением 8 и 20 раз.
  2.  Найти практическое увеличение микроскопа: Г= Zглаза /Zмикроскопа, где Zглаза= 0.078мм. Все расчеты проводить в системе единиц СИ.
  3.  Оформить отчет.

1.Микроскоп. Формула увеличения.

2.Разрешающая способность. Значение апертурного угла. Формула для предела разрешения.

3.Ультрафиолетовый микроскоп.

4.Иммерсионные системы.

5.Полезное увеличение.

6.Специальные приемы микроскопии.

1. Микроскоп. Формула для увеличения

Оптическая система простейшего микроскопа состоит из двух линз: объектива и окуляра. Объектив - короткофокусная собирающая линза, окуляр - длиннофокусная.

Рассматриваемый предмет АВ помещается на расстоянии немного большем  fоб, т.е. между фокусом и двойным фокусом. Действительное, увеличенное и перевернутое изображение  А1 В1  оказывается на расстоянии немного меньшем fок  от окуляра; оно рассматривается в окуляр, как в лупу.  В результате получается мнимое, увеличенное и перевернутое (относительно предмета) изображение А2В2, находящееся от окуляра на расстоянии L (расстоянии наилучшего зрения). Расстояние l между “внутренними” фокусами объектива и окуляра называется оптической длиной тубуса микроскопа (обычно l = 16 см).

Найдем увеличения объектива и окуляра.

где f - фокусное расстояние всей системы, равное f=fобfок / l.

Итак, увеличение окуляра равняется отношению расстояния наилучшего зрения к фокусному расстоянию линзы. Окуляр может дать увеличение до 20-25 раз. Увеличение микроскопа равняется отношению произведения оптической длины тубуса на расстояние наилучшего зрения к произведению фокусных расстояний объектива и окуляра.

Увеличение, даваемое микроскопом, может быть сделано значительным. Так, например, при fоб = 2 мм, fок = 15 мм, l = 160 мм имеет f = 0,19 мм и Км = 1330. Впрочем, предел полезному увеличению, даваемому микроскопом, кладут дифракционные явления, и поэтому приведенный расчет имеет лишь ориентировочное значение.

2. Разрешающая способность. Значение апертурного угла. Формула для предела разрешения.

 Предел разрешения - это такое наименьшее расстояние между двумя точками предмета, когда эти точки различимы, т.е. воспринимаются в микроскопе как две точки.

Свойство оптической системы давать раздельное изображение двух близко расположенных светящихся (или освещенных) точек называют разрешающей способностью системы. Это есть величина, обратная пределу разрешения. Разрешающая способность микроскопа обусловлена волновыми свойствами света, поэтому выражение для предела разрешения можно получить, учитывая дифракционные явления.

Предел разрешения микроскопа Z при нормальном падении света на предмет:

Z = / sin( /2),     (1)

и при наклонном освещении:

Z = / 2sin( /2),                        (1а)

где  - апертурный угол

.

3. Ультрафиолетовый микроскоп

Как видно из формулы (1), один из способов уменьшения предела разрешения микроскопа - использование света с меньшей длиной волны. В связи с этим применяют ультрафиолетовый микроскоп, в котором микрообъекты исследуются в ультрафиолетовых лучах. Принципиальная схема оптическая такого микроскопа аналогична схемам обычного микроскопа. Основное отличие заключается, во-первых, в использовании оптических устройств, прозрачных для УФ света, и, во-вторых, в особенности получения изображения. Т.к. глаз непосредственно не воспринимает этого излучения, то употребляются фотопластинки, люминесцентные экраны или электронно-оптические преобразователи.

4. Иммерсионные системы

Дальнейшим усовершенствованием микроскопа явилось применение иммерсионного объектива. Так называют объектив, у которого пространство между предметом (покровным стеклом препарата) и входной линзой заполняется жидкой средой - иммерсией - с показателем преломления, близким к стеклу, например, глицерином (n = 1,45) или монобромнафталином (n = 1,65). При иммерсионном объективе, во-первых, значительно увеличивается яркость изображения и, во-вторых, повышается разрешающая способность микроскопа.

Рис.2. Ход лучей при использовании иммерсионного объектива

При иммерсии свет от предмета до объектива проходит по оптически однородной среде и не дает потерь на отражение. Это значительно повышает яркость изображения, что имеет существенное значение особенно для микроскопа с большим увеличением. Для микроскопа с увеличением в 400 раз площадь изображения по сравнению с площадью предмета увеличивается в 160 000 раз, во столько же раз уменьшается его яркость по сравнению с яркостью предмета.

В иммерсионном объективе, где между предметом и объективом находится среда с показателем преломления n, длина волны света, проходящего в объектив, n=  / n , где  - длина волны света в воздухе. Подставляя эти данные в формулу для предела разрешения, получим:

Z = n / 2sin( /2) =  / 2n sin( /2)

т.е. предел разрешения иммерсионного объектива при наклонном освещении предмета числено равен отношению длины волны света к удвоенному произведению показателя преломления иммерсионной среды на синус апертурного угла объектива.

Величина  А =  sin( /2) для сухого или Аn = n sin( /2) для иммерсионного объектива называется численной (числовой) апертурой и для сухого объектива обозначается на оправе вместе с увеличением. Поэтому можно сказать, что предел разрешения микроскопа равняется длине волны света, при котором производится наблюдение, деленной на численную апертуру при перпендикулярном падении света на предмет:

Z =  / A,

или деленной на удвоенную численную апертуру при наклонном освещении:  

Z =  / 2A;

при иммерсионном объективе Z =  / 2n A.

Числовая апертура объектива, характеризуя предел разрешения, позволяет сравнить между собой разрешающую способность различных микроскопов. Последняя тем выше, чет больше апертура.

Максимальный апертурный угол может быть порядка 700  , тогда для сухого объектива ему соответствует числовая апертура А= sin700 = 0,94; Z 0,30 мкм.

Для иммерсионного объектива при n = 1,5  

Аn = 1,5  0,94 = 1,4; Z0,19 мкм.

Данные приведены для наклонного падения света на объект и наиболее чувствительной глазу длины волны 0,555 мкм.

5. Полезное увеличение

Таким образом, в оптическом микроскопе разрешаются объекты размером не менее 0,2 - 0,3 мкм. Для того, чтобы эти объекты были различимы также и глазом, увеличение Км  микроскопа должно быть не меньше величины, определяемой соотношением пределов разрешения Zглаза и микроскопа Zм: Km = Zгл / Zм , подставляя в эту формулу значение Z, получим

Km = 2A Zгл / .

Zглаза (на расстоянии наилучшего зрения) равно от 140 до 280 мкм. Подставляя их, а также = 0,555 мкм в формулу, находим интервал значений полезного увеличения микроскопа: 500А < Kм < 1000А. Эти увеличения называют полезными, т.к. при них глаз различает все элементы структуры объекта, которые разрешимы микроскопом.

6. Специальные приемы микроскопии:

  •  измерение размеров малых объектов,
  •  микропроекция, микрофотография,
  •  метод фазового контраста,
  •  метод темного поля, ультрамикроскопия.

1. Измерение размеров малых объектов.

Определение величины микроскопируемого предмета делается с помощью нанесенных на стеклянную пластинку масштабных шкал, называемых окулярным и объектным микрометрами.

Окулярный микрометр помещают между линзами окуляра так, чтобы его шкала находилась в плоскости промежуточного изображения, образуемого объективом, При этом в окуляр наблюдается изображение шкалы, совмещенное с изображением микроскопируемого предмета. Учитывая цену деления шкалы микрометра, можно определить размер этого изображения, даваемого объективом, а разделив полученные данные на известное увеличение объектива Коб - действительные размеры предмета.

Если цена деления окулярного микрометра неизвестна, то ее можно определить с помощью объектного микрометра с известной ценой деления (обычно 0,01 мм). Объектный микрометр помещается на место препарата   и в  окуляр наблюдается совмещенное изображение обеих шкал.

2. Микропроекция и микрофотография.

Мнимый характер изображения в микроскопе обусловлен тем, что промежуточное действительное изображение, образуемое объективом, располагается ближе переднего фокуса окуляра. Если это условие нарушить, например, перевернуть окуляр так, что изображение, которое дает объектив, окажется дальше фокусного расстояния окуляра, то последний будет давать действительное изображение, которое может быть спроецировано на экран или фотопленку. Способ наблюдения на экране действительного изображения предмета называется микропроекцией. Обычно при этом микроскоп ставят горизонтально, и предмет освещают сильным источником света.

Фотографирование полученного таким образом действительного изображения называется микрофотографией. Обычно при этом употребляется специальная фотонасадка к микроскопу, которая представляет собой фотокамеру, надеваемую на окулярный конец тубуса микроскопа.

3. Метод фазового контраста служит для получения изображений прозрачных и бесцветных объектов, невидимых при наблюдении по методу светлого поля. К числу таких объектов относятся, например, живые неокрашенные животные ткани.

Метод основан на том, что даже при очень малых различиях в показателях преломления разных элементов препарата световая волна, проходящая через них, претерпевает разные изменения по фазе (приобретает т. н. фазовый рельеф). Эти фазовые изменения, не воспринимаемые непосредственно ни глазом, ни фотопластинкой, с помощью специального оптического устройства преобразуются в изменения амплитуды световой волны, т. е. в изменения яркости («амплитудный рельеф»), которые уже различимы глазом или фиксируются на фоточувствительном слое. Другими словами, в получаемом видимом изображении распределение яркостей (амплитуд) воспроизводит фазовый рельеф. Такое изображение называется фазово-контрастным.

Рис.3. Метод фазового контраста

На рис.3 в переднем фокусе конденсора 3 устанавливается апертурная диафрагма 2, отверстие которой имеет форму кольца. Её изображение возникает вблизи заднего фокуса объектива 5, и там же устанавливается т. н. фазовая пластинка 6, на поверхности которой имеется кольцевой выступ или кольцевая канавка, называемая фазовым кольцом. Фазовая пластинка может быть помещена и не в фокусе объектива (часто фазовое кольцо наносят прямо на поверхность одной из линз объектива), но в любом случае не отклоненные в препарате 4 лучи от осветителя 1, дающие изображение диафрагмы 2, должны полностью проходить через фазовое кольцо, которое значительно ослабляет их (его делают поглощающим) и изменяет их фазу на l/4 (l – длина волны света). В то же время лучи, даже ненамного отклоненные (рассеянные) в препарате, проходят через фазовую пластинку, минуя фазовое кольцо (штриховые линии), и не претерпевают дополнительного сдвига фазы. С учётом фазового сдвига в материале препарата полная разность фаз между отклоненными и неотклонёнными лучами оказывается близкой к 0 или l/2, и в результате интерференции света в плоскости изображения 4' препарата 4 они заметно усиливают или ослабляют друг друга, давая контрастное изображение структуры препарата. Отклоненные лучи имеют значительно меньшую амплитуду по сравнению с неотклонёнными, поэтому ослабление основного пучка в фазовом кольце, сближая значения амплитуд, также приводит к большей контрастности изображения. Метод позволяет различать малые элементы структуры, чрезвычайно слабо контрастные в методе светлого поля. Прозрачные частицы, сравнительно не малые по размерам, рассеивают лучи света на столь небольшие углы, что эти лучи проходят вместе с неотклонёнными через фазовое кольцо. Для подобных частиц фазово-контрастный эффект имеет место только вблизи их контуров, где происходит сильное рассеяние.

4. Метод темного поля, ультрамикроскопия.

Метод тёмного поля в проходящем свете (рис.3) применяется для получения изображений прозрачных неабсорбирующих объектов, невидимых при освещении по обычными методами. Свет от осветителя 1 и зеркала 2 направляется на препарат конденсором специальной конструкции – т. н. конденсором тёмного поля 3.

По выходе из конденсора основная часть лучей света, не изменившая своего направления при прохождении через прозрачный препарат, образует пучок в виде полого конуса и не попадает в объектив 5 (который находится внутри этого конуса). Изображение в микроскопе. создаётся лишь небольшой частью лучей, рассеянных микрочастицами находящегося на предметном стекле 4 препарата внутрь конуса, которые затем проходят через объектив. В поле зрения 6 на тёмном фоне видны светлые изображения элементов структуры препарата, отличающихся от окружающей среды показателем преломления. У крупных частиц видны только светлые края, рассеивающие лучи света. При этом методе по виду изображения нельзя определить, прозрачны

Рис.3. Метод темного поля в проходящем

свете

частицы или непрозрачны, больший или меньший показатель преломления они имеют по сравнению с окружающей средой.

Метод ультрамикроскопии, основан на том же принципе, что и метод темного поля (препараты в ультрамикроскопах освещаются перпендикулярно направлению наблюдения). Этот метод даёт возможность обнаружить (но не «наблюдать» в буквальном смысле слова) чрезвычайно мелкие частицы, размеры которых лежат далеко за пределами разрешающей способности наиболее сильных микроскопов. С помощью иммерсионных ультрамикроскопов удаётся зарегистрировать присутствие в препарате частиц размером до 210-9 м. Однако определить форму и точные размеры таких частиц с помощью этого метода невозможно: их изображения представляются наблюдателю в виде дифракционных пятен, размеры которых зависят не от размеров и формы самих частиц, а от апертуры объектива и увеличения микроскопа. Т. к. подобные частицы рассеивают очень мало света, то для их освещения требуются чрезвычайно сильные источники света, например угольная электрическая дуга. Ультрамикроскопы применяются главным образом в коллоидной химии. 

Гипотеза де Бройля.

Опыты по дифракции электронов и других частиц

Важным этапом в создании квантовой механики явилось установление волновых свойств микрочастиц. Идея о волновых свойствах частиц была первоначально высказана как гипотеза французским физиком Луи де Бройлем (1924)1. Эта гипотеза появилась благодаря следующим предпосылкам.

1 Гипотеза де Бройля была сформулирована до опытов, подтверждающих волновые свойства частиц. Де Бройль об этом позднее, в 1936 г. писал так: «...не можем ли мы предположить, что и электрон так же двойственен, как и свет? На первый взгляд такая идея казалась очень дерзкой. Ведь мы всегда представляли себе электрон в виде электрически заряженной материальной точки, которая подчиняется законам классической динамики. Электрон никогда не проявлял волновых свойств, таких, Скажем, какие проявляет свет в явлениях интерференции и дифракции. Попытка приписать волновые свойства электрону, когда этому нет никаких экспериментальных доказательств, могла выглядеть как ненаучная фантазия».

В физике в течение многих лет господствовала теория, согласно которой свет есть электромагнитная волна. Однако после работ Планка (тепловое излучение), Эйнштейна (фотоэффект) и др. стало очевидным, что свет обладает корпускулярными свойствами.

Чтобы объяснить некоторые физические явления, необходимо рассматривать свет как поток частиц — фотонов. Корпускулярные свойства света не отвергают, а дополняют его волновые свойства. Итак, фотон — элементарная частица, движущаяся со скоростью света, обладающая волновыми свойствами и имеющая энергию е = hv, где v — частота световой волны.

Логично считать, что и другие частицы — электроны, нейтроны также обладают волновыми свойствами.

Выражение для импульса фотона рф получается из известной формулы Эйнштейна е = тс2 и соотношений е = hv   и    р. = тс:

(23.1)

где с — скорость света в вакууме, λ, — длина  световой волны. Эта формула была

использована де Бройлем и для других микрочастиц -массой т, движущихся со скоростью и:

р = ти =h/λ откуда

(23.2)

По де Бройлю, движение частицы, например электрона, описывается волновым процесс-

сом с характеристической длиной волны Я,, в соответствии с формулой (23.2). Эти волны называют

волнами де Бройля.

Гипотеза де Бройля была столь необычной, что многие крупные физики-современники не

придали ей какого-либо значения. Несколькими годами позже эта гипотеза получила экспери-

ментальное подтверждение: была обнаружена дифракция электронов.

Найдем зависимость длины волны электрона от ускоряющего напряжения U электрического

поля, в котором он движется. Изменение кинетической энергии электрона равно работе сил поля:

Выразим отсюда скорость v и, подставив ее в (23.2), получим

(23.3)

Для получения пучка электронов с достаточной энергией, который можно зафиксировать, например, на экране осциллографа, необходимо ускоряющее напряжение порядка 1 кВ. В этом случае из (23.3) находим Я, = 0,4 • 10~10 м, что соответствует длине волны рентгеновского излучения.

Дифракция рентгеновских лучей наблюдается на кристаллических телах; следовательно, для дифракции электронов необходимо также использовать кристаллы.

К. Дэвиссон и Л. Джермер впервые наблюдали дифракцию электронов на монокристалле никеля, Дж. П. Томсон и независимо от него П. С. Тартаковский — на металлической фольге (поликристаллическое тело). На рис. 23.1 изображена электронограм-ма — дифракционная картина, полученная от взаимодействия электронов с поликристаллической фольгой. Сравнивая этот рисунок с рис. 19.21, можно заметить сходство дифракции электронов и рентгеновских лучей.

Способностью дифрагировать обладают и другие частицы, как заряженные (протоны, ионы и др.), так и нейтральные (нейтроны, атомы, молекулы).

Аналогично рентгеноструктурному анализу можно применять дифракцию частиц для оценки степени упорядоченности расположения атомов и молекул вещества, а также для измерения параметров кристаллических решеток. В настоящее время широкое распространение имеют методы электронографии (дифракция электронов) и нейтронографии (дифракция нейтронов).

Может возникнуть вопрос: что происходит с отдельными частицами, как образуются максимумы и минимумы при дифракции отдельных частиц?

Опыты по дифракции пучков электронов очень малой интенсивности, т. е. отдельных частиц, показали, что при этом электронне «размазывается» по разным направлениям, а ведет себя как целая частица.Однако вероятность отклонения электрона по отдельным направлениям в результате взаимодействия с объектомдифракции различна. Наиболее вероятно попадание электронов в те места, которые по расчету соответствуют максимумам дифракции, менее вероятно ихпопадание в места минимумов. Таким             образом, волновые свойства присущине только коллективу электронов, но и                                  каждому электрону в отдельности. Рис23.1                                                        

Электронный микроскоп.

Понятие об электронной оптике

Волновые свойства частиц можно использовать не только для дифракционного структурного анализа, но и для получения увеличенных изображений предмета.

Открытие волновых свойств электрона сделало возможным создание электронного микроскопа. Предел разрешения оптического микроскопа (21.19) определяется в основном наименьшим значением длины волны света, воспринимаемого глазом человека. Подставив в эту формулу значение длины волны де Бройля (23.3), найдем предел разрешения электронного микроскопа, в котором изображение предмета формируется электронными пучками:

(23.4

Видно, что предел разрешения г электронного микроскопа зависит от ускоряющего напряжения U, увеличивая которое можно добиться, чтобы предел разрешения был значительно меньше, а разрешающая способность значительно больше, чем у оптического микроскопа.

Электронный микроскоп и его отдельные элементы по своему назначению подобны оптическому, поэтому воспользуемся аналогией с оптикой для объяснения его устройства и принципа действия. Схемы обоих микроскопов изображены на рис. 23.2 (а — оптический; б — электронный).

В оптическом микроскопе носителями информации о предмете АВ являются фотоны, свет. Источником света обычно служит лампа накаливания 1 . После взаимодействия с предметом (поглощение, рассеяние, дифракция) поток фотонов преобразуется и содержит информацию о предмете. Поток фотонов формируется с помощью линз: конденсора 3, объектива 4, окуляра 5. Изображение AjBj регистрируется глазом 7 (или фотопластинкой, фотолю-минесцирующим экраном и т. д.).

В электронном микроскопе носителем информации об образце являются электроны, а их источником — подогреваемый катод 1. Ускорение электронов и образование пучка осуществляется фокусирующим электродом и анодом — системой, называемой электронной пушкой 2. После взаимодействия с образцом (в основном рассеяние) поток электронов преобразуется и содержит информацию об образце. Формирование потока электронов происходит

Рис. 23.2

под воздействием электрического поля (система электродов и конденсаторов) и магнитного (система катушек с током). Эти системы называют электронными линзами по аналогии с оптическими линзами, которые формируют световой поток (3 — конденсорная; 4 — электронная, служащая объективом; 5 — проекционная). Изображение регистрируется на чувствительной к электронам фотопластинке или катодолюминесцирующем экране 6.

Чтобы оценить предел разрешения электронного микроскопа, подставим в формулу (23.4) ускоряющее напряжение U = 100 кВ и угловую апертуру и порядка 10 2 рад (приблизительно такие углы используют в электронной микроскопии). Получим г ~ 0,1 нм; это в сотни раз лучше, чем у оптических микроскопов. Применение ускоряющего напряжения, большего 100 кВ, хотя и повышает разрешающую способность, но сопряжено с техническими сложностями, в частности происходит разрушение исследуемого объекта электронами, имеющими большую скорость. Для биологических тканей из-за проблем, связанных с приготовлением образца, а также с его возможным радиационным повреждением, предел разрешения составляет около 2 нм. Этого достаточно, что-

бы увидеть отдельные молекулы. На рис. 23.3 показаны нити белка актина, имеющие диаметр примерно 6 нм. Видно, что они состоят из двух спирально закрученных цепей молекул белка.

Укажем некоторые особенности эксплуатации электронного микроскопа. В тех частях его, где пролетают электроны, должен быть вакуум, так как в противном случае столкновение электронов с молекулами воздуха (газа) приведет к искажению изображения. Это требование к электронной микроскопии усложняет процедуру исследования, делает аппаратуру более громоздкой и дорогой. Вакуум искажает нативные свойства биологических объектов, а в ряде случаев разрушает или деформирует их.

Для рассматривания в электронном микроскопе пригодны очень тонкие срезы (толщина менее 0,1 мкм), так как электроны сильно поглощаются и рассеиваются веществом.

Для исследования поверхностной геометрической структуры клеток, вирусов и других микрообъектов делают отпечаток их поверхности на тонком слое пластмассы (реплику). Обычно предварительно на реплику в вакууме напыляют под скользящим (малым к поверхности) углом слой сильно рассеивающего электроны тяжелого металла (например, платины), оттеняющий выступы и впадины геометрического рельефа.

К достоинствам электронного микроскопа следует отнести большую разрешающую способность, позволяющую рассматривать крупные молекулы, возможность изменять при необходимости ускоряющее напряжение и, следовательно, предел разрешения, а также сравнительно удобное управление потоком электронов с помощью магнитных и электрических полей.

Рис. 23.3

Наличие волновых и корпускулярных свойств как у фотонов, так и у электронов и других частиц, позвол яет ряд положений и

законов оптики распространить и на описание движения заряженных частиц в электрических и магнитных полях.

Эта аналогия позволила выделить как самостоятельный раздел электронную оптику — область физики, в которой изучается структура пучков заряженных частиц, взаимодействующих с электрическими и магнитными полями. Как и обычную оптику, электронную можно подразделить на геометрическую (лучевую) и волновую (физическую).

В рамках геометрической электронной оптики возможно, в частности, описание движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях, а также схематическое построение изображения в электронном микроскопе (см. рис. 23.2, б).

Подход волновой электронной оптики важен в том случае, когда проявляются волновые свойства заряженных частиц. Хорошей иллюстрацией этому является нахождение разрешающей способности (предела разрешения) электронного микроскопа, приведенное в начале параграфа

.

Рис. 1. Схема

для нахождения

предела разрешения объектива

микроскопа.

1       2       3        4       5       6       7       8       9       10      11      12      13      14      15      16

В2

А2

Fоб

Fок

Fок

об

В1

А1

А

В

О1

О

объектив

окуляр

Рис.1 Ход лучей в биологическом микроскопе.

Иммерсия

Покровное стекло

Препарат

 /2

Воздух

Сухая

система

Иммерсионная

система

Предметное стекло

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Файл

лабораторная работа№17 2014.doc

лабораторная работа№17 2014.doc
Размер: 808.5 Кб

.

Пожаловаться на материал

Лабораторная работа. Изучить устройство биологического микроскопа и  научиться определять с помощью микроскопа размеры малых объектов, научиться  находить разрешающую способность и полезное увеличение микроскопа.

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Преступления против порядка управления

Понятие и виды преступлений против порядка управления Преступные посягательства на охрану общественного порядка и обеспечение общественной безопасности . Преступные посягательства на установленный государством порядок ведения официальной документации . Преступные посягательства на установленный государством порядок комплектования Вооруженных Сил, авторитет государства и неприкосновенность Государственной границы . Преступные посягательства на охрану прав и законных интересов граждан, частных общественных и государственных организаций

PR-кампании по продвижению имиджа информационных порталов PR-кампания как средство формирования имиджа организации

Проведение PR-кампаний, которые позволяют создать полное понимание услуги у адресата, становится всё более популярно в таком сегменте информации, как интернет. Анализ процесса создания и понимания PR-сообщений. Анализ конкурентной среды. Определение целевой аудитории.

Соглашение о сотрудничестве

Предметом настоящего Соглашения является сотрудничество «Сторон» по следующим направлениям. Настоящее Соглашение разработано на основании..

Детская хирургия. Тесты и ответы на них

Аутизм: история, причины, признаки, симптомы, лечение

Реферат по генетике. Ранний аутизм. Аутизм у детей. Аутизм. Прогноз. Причины возникновения аутизма. Признаки и симптомы раннего аутизма.

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok