18. Оптический микроскоп

Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему с определённым разрешением – возможностью различения деталей наблюдаемого объекта. Для нормального зрения максимальное разрешение (на расстоянии наилучшего видения – 25 см) составляет порядка 0,1..0,2 мм. Размеры микроорганизмов, клеток, деталей микроструктуры кристаллов и тому подобное значительно меньше этой величины. Обнаружение и изучение подобных объектов было не возможно без оптических микроскопов.

Микроскоп – оптический прибор для получения увеличенных изображений объекта, не видимых не вооружённым глазом.

Увеличение изображение происходит за счёт преломления света, проходящего сквозь стеклянную линзу, способную, в зависимости от своей формы, фокусировать или рассеивать световой пучёк. Один из первых микроскопов сконструирован Галлилеем.

Разрешающая способность микроскопов

Хотя увеличение оптических микроскопов выросло с 300 до 1500 единиц, а пути дальнейшего роста разрешающей способности стоит непреодолимый теоретический барьер, т.н. предел Релея.

А нглийский физик Релей в 70-х годах XIX века сформулировал принцип, в соответствии с которым предельное разрешение микроскопа не может быть больше половины длинны волны освещающего объект света. Это препятствие объясняется явлением дифракции света: изображение точки даже в идеальном, не вносящих никаких искажений объективе, не воспринимается глазом как точка, так как вследствие дифракции является фактически круглым светлым пятнышком конечного диаметра, окружённым несколькими попеременно тёмными и светлыми кольцами.

Если же 2 светящиеся точки расположены на очень близком расстоянии друг от друга, то их дифракционные картины накладываются друг на друга, давая в результате весьма размытое изображение со сложным распределением освещённости.

Чтобы усовершенствовать оптическое разрешение, была доведена до предела длинна облучающего света, что привело к созданию УФ-микроскопии (280..300 нм), позволяющей визуализировать объекты размером 150..170 нм (но УФ-излучение повреждает биообъект).

19. Электронный микроскоп. Нейтронный микроскоп.

Для изучения нанообъектов, разрешения оптических микроскопов недостаточно. В связи с этим в 1930 гг возникла идея использовать вместо света электроны, длинна волны которых в сотни раз меньше, чем у фотонов. На траекторию и скорость электронов существенно влияют внешние ЭМП, с помощью которых можно эффективно управлять движением электронов. Электронное изображение формируется электромагнитными полями так же, так и световыми оптическими линзами, поэтому в электронном микроскопе устройство фокусировки и рассеивания электронного пучка называют электронными линзами.

Рисунок 1: витки проводов катушки, по которой проходит ток, фокусирует пучок электронов так же, как линза - световой пучок.

Магнитное поле катушки действует как собирающая или рассеивающая линза. Чтобы сконцентрировать магнитное поле, катушку закрывают броней из специального никель-кобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор во внутренней части. Наш глаз не может непосредственно воспринимать электронные пучки, поэтому они используются для рисования изображения на люминесцентных экранах.

Наиболее распространённый из микроскопов - растровый электронный микроскоп. В нет тонкий луч электронов (диаметр пучка около 10нм) обегает, как бы сканируя образец по горизонтальным точкам, и синхронно передает сигнал на кинескоп. Источником электронов служит вольфрам, из которого при нагревании в результате термоэлектронной эмиссии испускается электрон. При прохождении через образец, часть рассеивается из-за столкновений с атомами образца, другие - с ядрами, третьи – насквозь. В некоторых случаях испускаются вторичные электроны. Все эти процессы регистрируются специальными детекторами и выводятся на экран.

Увеличение в данном случае понимается как отношение размера изображения на экране к размеру области, обегаемой пучком на образце.

Главный недостаток в электронной микроскопии - работа в полном вакууме, т.к. наличие газа внутри микроскопа может привести к ионизации его атомов и существенно исказить результаты. Кроме того, электроны оказывают разрушительные воздействия на биообъекты.

Нейтронный микроскоп. Нейтроны обычно входят в состав ядер наряду с протонами и имеют в 2000 раз большую массу, чем электроны. Длина волны у нейтрона составляет пм. В этом случае, атом - не расплывчатое пятнышко, а в своем реальном виде. Нейтронный микроском имеет много плюсов: нейтроны хорошо отображают атомы водорода и легко проникают в толстые слои образцов, однако и построить его трудно: нейтроны не имеют электрического заряда, и потому спокойно игнорируют магнитные и электрические поля, и ускользают от датчиков. Еще не так просто выгнать большие нейтроны из атомов, поэтому сегодня эти микроскопы еще прототипы.