optika-1

максимальная чувствительность глаза лежит в центральной части видимого спектра (область зеленого цвета). Если объект освещается белым светом, то величину λ следует считать равной 5*10-7 м, что соответствует средней длине волны видимого диапазона спектра.

Очевидно, что чем больше R, тем более мелкие объекты можно рассматривать в микроскоп. Величина R может быть найдена по формулам (13), (14). Из (13) видно, что разрешаемое расстояние X уменьшается (R увеличивается - см. (14)) с уменьшением длины волны света, которым облучают объект. Эта возможность увеличения R реализуется в ультрафиолетовых и электронных микроскопах. В оптических микроскопах повышение разрешающей способности осуществляется за счет увеличения числовой апертуры. Практически это реализуется при использовании так называемых иммерсионных объективов.

В обычных микроскопах между предметом и передней линзой объектива находится воздух, показатель преломления которого близок к единице. Из формул (13) и (14) следует, что величина X тем меньше, а разрешающая способность R тем больше, чем больше показатель преломления n вещества между предметом и объективом. При этом вещество должно быть прозрачным, а величина показателя n превышать единицу.

Как правило, микроскопический препарат представляет собой тонкий срез объекта, который закладывается между плоскими стеклами (более толстым предметным и тонким покровным). Для увеличения числовой апертуры на покровное стекло наносят каплю прозрачного орехового масла, показатель которого близок к показателю преломления стекла.

На рис.6 слева показан ход крайнего луча в "сухой" системе (где между покровным стеклом и линзой объектива находится воздух), а справа - ход луча в иммерсионной системе (где между покровным стеклом и линзой объектива находится масло). Из рис.6 видно, что величина апертурного угла в иммерсионной системе (α0) больше, чем тот же угол (α) в "сухой" системе. Действительно, в

11

"сухой" системе лучи, вышедшие из точки О под углом α0, в объектив не попадают в результате преломления на границе раздела сред "стекло-воздух".

Таким образом, иммерсионные жидкости в сочетании с соответствующими иммерсионными объективами, во-первых, увеличивают апертурный угол α и соответственно sinα, а во-вторых, применение прослойки масла увеличивает значение показателя преломления n. Оба результата приводят к увеличению апертуры объектива, а в итоге и к увеличению разрешающей способности микроскопа.

Увеличивать разрешающую способность оптического микроскопа и его увеличение нельзя безгранично. Это связано с тем, что если расстояние между точками объекта становится сравнимым с длиной волны света, то начинают сказываться волновые свойства света, а именно явление дифракции (огибание Рис.6 волнами препятствий). В результате изображение теряет резкость конту-

ров, нарушается подобие изображения объекту. У наиболее совершенных оптических микроскопов увеличение достигает порядка 1500-2000.

5. Дополнительные устройства к микроскопу для измерения размеров микрообъектов

Некоторые типы микроскопов комплектуются устройствами, предназначенными для получения изображения и (или) измерения размеров исследуемых объектов. В настоящей лабораторной работе используются два таких устройства: рисовальный аппарат и окулярный микрометр. Рассмотрим последовательно конструкции и принципы действия этих устройств.

5.1. Рисовальный аппарат РА-4

Рисовальный аппарат позволяет получить изображение исследуемого объекта и, как будет показано ниже, оценить его размер. Рисовальные аппараты бывают двух видов: РА-4 - для зарисовки объектов, РА-5 - для получения фотографий объектов (рис. 7а,б соответственно).

Рисовальный аппарат типа РА-4, используемый в данной работе, представляет собой насадку, которая надевается на тубус микроскопа. Основными его частями являются откидывающаяся головка 1, которая накладывается на окуляр, и подвижное зеркало 2. В головке РА-4 имеется три окошка: снизу - для прохождения лучей света от объекта, наблюдаемого в микроскоп; справа - для входа лучей, отраженных от рисовальной доски, расположенной рядом с микроскопом под зеркалом 2; сверху - для визуального наблюдения. Внутри головки вмонтировано наклонное полупрозрачное зеркало 3а. На рисовальную доску накладывается лист бумаги. Световой луч АВ, отраженный от бумаги, попадает на зеркало 2, которое поворачивает этот луч и направляет на полупрозрачное зеркало 3а. Отразившись, этот луч ( ОА’) дает изображение бумаги в поле зрения наблюдате-

12

ля. Вместе с этим лучом через полупрозрачное зеркало проходит луч COC’, дающий увеличенное изображение наблюдаемого объекта.

Рис.7.

Таким образом, через верхнее окошко головки РА-4 можно одновременно видеть исследуемый объект и часть листа бумаги, лежащей на рисовальной доске. Возможность их одновременного наблюдения позволяет зарисовать изучаемый препарат на бумаге. Внешний вид рисовального аппарата РА-4, укрепленного на тубусе микроскопа, представлен в экспериментальной части лабораторной работы на рис.11.

При помощи рисовального аппарата РА-5 можно получить фотографию наблюдаемого объекта. Отличие его конструкции от РА-4 заключается в следующем (см. рис. 7б). Наклонное зеркало (3б) почти полностью отражает свет и направляет на фотобумагу. Получаемая фотография дает возможность не только анализировать структуру объекта, но и оценивать его размеры.

Изображение объекта, получаемое на бумаге с помощью рисовального аппарата (например, РА-4), естественно, оказывается увеличенным по сравнению с самим объектом. Отношение величины этого изображения l к размеру объекта d есть коэффициент линейного увеличения микроскопа:

Величину K’ можно определить экспериментально, если воспользоваться объектом с известным размером d, получить и измерить его изображение l, а затем определить K’ по формуле (15).

Легко видеть, что, определив один раз величину K’ с помощью рисовального аппарата, в дальнейшем по формуле (15) можно определить размер исследуемого объекта d. Для этого следует зарисовать изучаемый объект, измерить его размер и воспользоваться формулой (15).

Однако очевидно, что величина K’ зависит от конструкции рисовального аппарата и от характеристик объектива и окуляра (KОб и KОк) микроскопа. Поэтому на практике смена рисовального аппарата, объектива или окуляра потребует нового эксперимента для определения нового значения K’. Однако проведения новых экспериментов можно избежать, если связать некоторой форму-

13

и двумя рисками перемещается с помощью микрометрического винта относительно неподвижной шкалы с делениями. На барабане винта нанесено 100 делений. При совершении одного полного оборота винта перекрестие и сдвоенные риски перемещаются на одно полное деление неподвижной шкалы. Поэтому поворот барабана на одно его малое деление соответствует перемещению перекрестия на расстояние, равное одной сотой части деления неподвижной шкалы, т.е. на 0.01 мм. Таким образом, неподвижная шкала в поле зрения служит для отсчета целых, а шкала барабана - для отсчета сотых долей миллиметров перемещения перекрестия окулярного микрометра.

Полный отсчет для определения положения перекрестия (сдвоенных ри-

долей равно 32. Полный отсчет по окулярному микрометру для случая, изображенного на рис.9, равен (4+0,32)=4,32.

Таким образом, полный отсчет по окулярному винтовому микрометру равен:

[число целых делений неподвижной шкалы] + 0.01×[число делений на барабане].

Для измерения размеров исследуемого объекта необходимо, наблюдая в окуляр и вращая барабан микрометра по часовой стрелке, подвести центр перекрестия на край изображения объекта; по шкалам микрометра сделать первый отсчет. Таким же образом совместить центр перекрестия с изображением второго края объекта и сделать второй отсчет по шкалам микрометра. Вычислить разность отсчетов, которая определит величину изображения объекта. Чтобы определить величину самого объекта, необходимо полученную разность разделить на линейное увеличение объектива.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Целью экспериментальной части настоящей лабораторной работы является определение основных характеристик микроскопа и измерение размеров микроскопических объектов.

1. Определение разрешающей способности микроскопа

15

По формуле (13) вычислите величину наименьшего разрешаемого расстояния оптического микроскопа для λ = 5*10-7 м и числовой апертуры А, указанной на оправе объектива. Определить величину разрешающей способности микроскопа с использованием формулы (14).

2. Определение величины поля зрения микроскопа

Для определения величины поля зрения микроскопа необходимо на его предметном столике разместить объект, подобный обычной, но прозрачной мерной линейке. Тогда, определив число видимых в микроскоп делений линейки и умножая его на цену одного деления, можно получить размер поля зрения микроскопа.

В качестве такой линейки могут быть использованы объективный микрометр или камера Горяева. Объективный микрометр представляет собой стеклянную пластинку, на которую нанесены штрихи с определенным расстоянием между ними. Расстояние между двумя соседними штрихами называется ценой деления измерительного прибора (величину цены деления объективного микромет-

ра спросить у лаборанта)

мм (см. рис. 10). Камеру Горяева можно использовать в настоящей лабораторной работе для определения величины поля зрения микроскопа.

Порядок определения величины поля зрения микроскопа заключается в следующем. Сфокусируйте микроскоп на объективный микрометр или камеру Горяева. Шкалу объективного микрометра расположите точно по диаметру поля зрения. Подсчитайте число делений, расположенных по диаметру поля зре-

где n0 - цена деления объективного микрометра, m - максимальное число делений, видимых в микроскоп (вдоль диаметра поля зрения).

Если в лабораторной работе используется камера Горяева, то следует подсчитать количество больших и малых делений, расположенных по диаметру поля зрения. Величина поля зрения в этом случае расчитывается следующим образом:

16

После выполнения задания по определению величин K’ср, b и d следует с максимальной осторожностью снять с тубуса микроскопа рисовальный аппарат и положить его в специальный футляр.

4.2. Определение размеров объекта с помощью окулярного микрометра

Для измерения размеров исследуемого объекта следует:

а) разместить препарат на предметном столике микроскопа; б) сфокусировать микроскоп на резкое изображение объекта;

в) наблюдая в окуляр и вращая барабан микрометра по часовой стрелке, подвести центр перекрестия последовательно к левому, а затем к правому краю объекта и сделать два соответствующих полных отсчета положений перекре-

стия N1 и N2;

г) определить величину изображения объекта в фокальной плоскости окуляра микрометра как разность двух отсчетов:

д) для определения размера исследуемого объекта d следует найденную по формуле (22) величину d’ разделить на коэффициент увеличения объектива:

Измеренный окулярным микрометром размер наблюдаемого препарата сравнить с результатами аналогичных измерений того же объекта с использованием рисовального аппарата.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1.Линзы. Виды линз. Главная оптическая ось, побочная ось, оптический центр, фокус, фокусное расстояние, оптическая сила линзы.

2.Построение изображения в собирающих линзах при различных положениях предмета по отношению к линзе:

а) предмет находится от линзы на расстоянии большем двойного фокусного расстояния;

б) предмет находится от линзы на расстоянии меньшем двойного фокусного расстояния, но большем, чем фокусное расстояние;

в) предмет находится от линзы на расстоянии меньшем фокусного расстояния;

3.Характеристики изображения: прямое-обратное, действительноемнимое, увеличенное-уменьшенное.

4.Формула линзы. Увеличение линзы.

5.Основные типы микроскопов, их назначение, физические основы их действия.

19

6.Назначение оптического микроскопа, его устройство.

7.Построить и объяснить ход лучей в микроскопе.

8.Увеличение микроскопа. Вывести формулу для увеличения микро-скопа.

9.Поле зрения микроскопа. Как на практике определить поле зрения микроскопа?

10.Наименьшее разрешаемое расстояние. Формула для вычисления наименьшего разрешаемого расстояния. Разрешающая способность микроскопа.

11.Апертура объектива. Иммерсионный объектив. Назначение иммерсионного объектива и ход лучей в нем.

12.Как вычислить разрешающую способность оптического микроскопа? Какое физическое явление ограничивает предел разрешения и увеличения микроскопа?

13.Назначение рисовального аппарата РА-4. Ход лучей в нем.

14.Как с помощью рисовального аппарата определяется размер микрообъекта ?

15.Как с помощью окулярного микрометра определить размер наблюдаемого микрообъекта ?

ЛИТЕРАТУРА

1.Методическое руководство к лабораторным занятиям "Оптические методы и аппаратура для биомедицинских исследований", лабораторная работа 1.

2.Ремизов А.Н. Курс физики, электроники и кибернетики. М.: Высш. шк., 1982. С.336-344.

3.Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. М.: Высш. шк., 1987. С.463-474.

4.Ливенцев Н.М., Курс физики для медицинских институтов. М.: Высш. шк., 1978. Т.1. С.266-274

5.Эссаулова И.А., Блохина М.Е., Гонцов Л.Д. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. Под ред. Ремизова А.Н. М.: Высш. шк., 1987. С.220-226.

6.Биофизические методы исследования / Под. ред. Ф.Юбера. М.: Изд-во иностр. лит., 1956. С.198.

РАБОТА 2

РЕФРАКТОМЕТРИЯ

Рефрактометрия - раздел оптики, который занимается разработкой методов и приборов на основе измерения показателей преломления веществ. Рефрактометрия позволяет определять структуру сложных молекул и тип химической связи между атомами, состав и степень неоднородности различных смесей, концентрацию веществ в растворе. В медицине рефрактометры применяются, например, для определения концентраций белка в сыворотке крови, лекарственных веществ в

20