Физическая энциклопедия - микроскоп

(от греч. mikros малый и skopeo смотрю), оптич. прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), не видимых невооружённым глазом. Различные типы М. предназначаются для обнаружения л изучения бактерий, органич. клеток, мелких кристаллов, структуры сплавов и др. объектов, размеры к-рых меньше мин.

разрешения глаза (см. РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ), равного ОД мм. С помощью М. определяются форма, размеры, структура и др. хар-ки микрообъектов. М. даёт возможность различать структуры с расстоянием между элементами до 0,20 мкм. Св-во линзы или системы из двух линз давать увеличенные изображения предметов было известно уже в 16 в. Первые успешные применения М.

в научных исследованиях связаны с именами англ. учёного Р. Гука, установившего (ок. 1665), что животные и растит. ткани имеют клеточное строение, и голл. учёного А. Левенгука, открывшего с помощью М. микроорганизмы (1673-77). Разработка нем. физиком Э. Аббе (1872-73) теории образования изображений несамосветящихся объектов в М. способствовала развитию разнообразных методов микроскопич.

Объектив создаёт действительное перевёрнутое и увеличенное изображение 7' объекта 7. Окуляр образует вторично увеличенное мнимое изображение 7" обычно на расстоянии наилучшего видения D = 250 мм. Если окуляр сдвинуть так, чтобы изображение 7' оказалось перед передним фокусом окуляра Fок, то изображение, даваемое окуляром, становится действительным и его можно получить на экране или фотоплёнке (см.

МИКРОПРОЕКЦИЯ). Общее увеличением, равно произведению увеличения объектива на увеличение окуляра: г=bГок. Увеличение объектива выражается ф-лой: b=D/f'об, где D расстояние между задним фокусом объектива F'об и передним фокусом окуляра Fок (т. н. оптич. длина тубуса М.); f'обфокусное расстояние объектива. Увеличение окуляра, подобно увеличению лупы, выражается ф-лой: Гок= 250/f'ок, где f'ок фокусное расстояние окуляра.

картины накладываются одна на другую, давая в плоскости изображения сложное распределение освещённости. Наименьшая относит. разница освещённостей, к-рая может быть замечена глазом, равна 4%. Этому соответствует наименьшее расстояние, разрешаемое в М., d=0,42d=0,51 l/А. Для несамосветящихся объектов предельное разрешение dпр составляет =l/(А+А'), где А'числовая апертура конденсора М.

Т. о., разрешающая способность (=1/d) прямо пропорц. апертуре объектива и для её повышения пр-во между предметом и объективом заполняется жидкостью с большим показателем преломления (см. ИММЕРСИОННАЯ СИСТЕМА). Апертуры иммерсионных объективов большого увеличения достигают величины А = 1,3 (у обычных «сухих» объективов А = 0,9). Существование предела разрешающей способности влияет на выбор увеличения М.

Увеличение М. в пределах 500А-1000А наз. полезным, т. к. при нём глаз различает все элементы структуры объекта, разрешаемые М. При увеличениях св. 1000 А не выявляются никакие новые подробности структуры препарата; всё же иногда такие увеличения применяются, напр. в микрофотографии, при микропроекции. Методы наблюдения (микроскопия).

Поэтому методы наблюдения, применяемые в микроскопии, выбираются в зависимости от хар-ра и св-в изучаемого препарата. Метод светлого поля в проходящем свете применяется при исследовании прозрачных препаратов с включёнными в них абсорбирующими (поглощающими свет) ч-цами и деталями. Таковы, напр., тонкие окрашенные срезы животных и растит.

тканей, тонкие шлифы минералов. В отсутствии препарата пучок лучей из конденсора 6 (рис. 1) проходит через объектив 8 и даёт равномерно освещённое поле вблизи фокальной плоскости окуляра 9. Если в препарате 7 имеется абсорбирующий объект, то он отчасти поглощает и отчасти рассеивает падающий на него свет (штриховая линия), что и обусловливает, согласно дифракц.

теории, возникновение изображения. Метод может быть полезен и при неабсорбирующих объектах, если они рассеивают освещающий пучок настолько сильно, что значит. часть пучка не попадает в объектив. Метод светлого поля в отражённом свете (рис. 2) применяется для наблюдения непрозрачных объектов, напр. шлифов металлов 4. Освещение препарата производится от осветителя 1 и полупрозрачного зеркала 2 сверху через объектив 3, к-рый выполняет одновременно и роль конденсора.

Изображение создаётся в плоскости 6 объективом совместно с тубусной линзой 5; структура препарата видна из-за различия в отражающей способности её элементов; на светлом поле выделяются неоднородности, рассеивающие падающий на них свет. М е т о д т ё м н о г о п о л я в п р о х о д я щ е м с в е т е (рис. 3) применяется для получения изображений прозрачных, неабсорбирующих объектов.

Свет от осветителя 1 и зеркала 2 проходит спец. т. н. к о н д е н с о р т ё м н о г о п о л я 3 в виде полого конуса и непосредственно в объектив 5 не попадает. Изображение создаётся только светом, рассеянным микрочастицами препарата 4. В поле зрения 6 на тёмном фоне видны светлые изображения ч-ц, отличающихся от окружающей среды по показателю преломления.

М е т о д у л ь т р а м и к р о с к о п и и, основанный на этом же принципе (освещение препарата в ультрамикроскопах производится перпендикулярно направлению наблюдения), даёт возможность обнаруживать сверхмелкие детали, размеры к-рых (=2•10-9 м) лежат далеко за пределами разрешения М. (см. УЛЬТРАМИКРОСКОП). При наблюдении по методу тёмного поля в отражённом свете непрозрачные препараты (напр.

, шлифы металлов) освещают сверху специальной кольцевой системой, расположенной вокруг объектива и наз. э п и к о н д е н с о р о м. Метод наблюдения в поляризованном свете (в проходящем и отражённом) применяется для исследования под М. анизотропных объектов (см. ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ), таких, как минералы, руды, зёрна в шлифах сплавов, нек-рые животные и растит.

ткани и клетки. С помощью анализаторов и компенсаторов, к-рые включены в оптич. систему, изучается изменение поляризации света, прошедшего через препарат. М е т о д ф а з о в о г о к о н т р а с т а служит для получения изображений прозрачных и бесцветных объектов, невидимых при наблюдении по методу светлого поля. К числу таких объектов относятся, напр.

, живые неокрашенные животные ткани. Метод основан на том, что даже при малом различии показателей преломления объекта и среды световая волна, прошедшая сквозь них, претерпевает разные изменения по фазе и приобретает т. н. фазовый рельеф. Эти фазовые изменения преобразуются в изменения яркости («амплитудный рельеф») с помощью спец.

сдвига фазы. С учётом фазового сдвига в препарате разность фаз между лучами отклонёнными и неотклонёнными оказывается близкой к 0 или l/2, и в результате интерференции света в плоскости изображения препарата они заметно усиливают или ослабляют друг друга, давая контрастное изображение структуры препарата, в к-ром распределение яркостей воспроизводит указанный выше фазовый рельеф.

Один из лучей, проходя через объект 3, запаздывает по фазе (приобретает разность хода по сравнению со вторым лучом); величина этого запаздывания измеряется компенсатором 5. Метод интерференц. контраста в нек-рых отношениях сходен с методом фазового контраста оба они основаны на интерференции лучей, прошедших через микрочастицу и миновавших её.

Отличие интерференц. метода от метода фазового контраста заключается гл. обр. в возможности с высокой точностью (до l/300) измерять разности хода, вносимые микрообъектом, используя компенсаторы. На основании этих измерений можно производить количественные расчёты, напр., общей массы и концентрации сухого в-ва в клетках биол. препаратов.

Метод применяется в микробиологии, цитологии, микро-хим. анализе, дефектоскопии и т. п. М е т о д н а б л ю д е н и я в У Ф л у ч а х позволяет увеличить предельную разрешающую способность М., пропорциональную 1/l Этот метод расширяет возможности микроскопич. исследований также за счёт того, что ч-цы многих в-в, прозрачные в видимом свете, сильно поглощают УФ излучение определ.

длин волн и, следовательно, легко различимы в УФ изображениях. Изображения в УФ микроскопии регистрируют либо фотографированием, либо с помощью электронно-оптического преобразователя или люминесцирующего экрана. Метод наблюдения в ИК лучах также требует преобразования невидимого для глаза изображения в видимое путём его фотографирования или с помощью электронно-оптич.

Применение того или иного типа конденсора (светлопольные, темнопольные и т. д.) зависит от выбора необходимого метода наблюдения. Объективы в большинстве совр. М. съёмные. По исправлению хроматических аберраций объективы разделяются на ахроматы, наиболее простые по устройству, и апохроматы, к-рые имеют улучшенную хроматич. коррекцию.

Для исправления кривизны поля используются п л а н а х р о м а т ы и п л а н а п о х р о м а т ы, имеющие плоское поле зрения, что особенно важно для микрофотографии.. Кроме того, объективы различаются: а) по спектр. хар-кам на объективы для видимой области спектра и для УФ и ИК микроскопии (линзовые и зеркально-линзовые); б) по длине тубуса, на к-рую они рассчитаны (в зависимости от конструкции микроскопа); в) по среде между объективом и препаратом на сухие и иммерсионные; г) по методу наблюдения на обычные, фазово-контрастные и др.

Тип применяемого о к у л я р а при данном методе наблюдения определяется выбором объектива М. Окуляры Гюйгенса рассчитаны для объективов-ахроматов мелких и средних увеличений, окуляры компенсационные для апохроматов, фотоокуляры для проекций н т. д. Приспособления к М. позволяют улучшить условия наблюдения и расширить возможности исследований, осуществлять разные виды освещения препаратов, определять размеры объектов, фотографировать препараты через М.

, производить микроспектрофотометрирование и т. п. Типы микроскопов определяются либо областью применения, либо методом наблюдения. Биологические М. предназначены для исследований в микробиологии, гистологии, цитологии, ботанике, медицине, а также для наблюдения прозрачных объектов в физике, химии и т. д. В биол. исследованиях используются также люминесцентные и инвертированные М.

В последних объектив располагается под наблюдаемым объектом, а конденсор сверху. Эти М. предназначены для исследования культуры тканей, находящихся в питат. среде, и снабжены термостатирующимп камерами, а иногда и устройствами для киносъёмки медленных процессов. М е т а л л о г р а ф и ч е с к и е М. предназначены для исследования микроструктур металлов и сплавов.

Снятые таким М. микрофотографии нетравленого шлифа металла представлены на рис. 5 (а в светлом поле, б с фазово-контрастным устройством). П о л я р и з а ц и о н н ы е М. снабжены дополнительно поляризац. устройствами и предназначены гл. обр. для исследования шлифов минералов и руд. С т е р е о м и к р о с к о п ы служат для получения объёмных изображений наблюдаемых предметов.

И з м е р и т е л ь н ы е М. предназначены для разл. точных измерений в машиностроении. Кроме этих групп М., имеются специализированные М., напр.: микроустановка для киносъёмки быстрых и медленных процессов (движение микроорганизмов, процессы деления клеток, роста кристаллов и т. п.): М. для изучения следов яд. ч-ц в фотоэмульсиях; высокотемпературные М.

для исследования объектов, нагретых до 2000В°С; хирургич. М. слабого увеличения, применяемые при операциях; интерференционные М. для количеств. исследований. Весьма сложными приборами явл. микроспектрофотометрич. установки для определения спектров поглощения препаратов, телевизионные анализаторы микроизображений и др. Первые представляют собой сочетание микроскопа со спец.