Лабораторная работа №20

Исследование микроскопа

Студент должен знать: устройство и назначение отдельных частей микроскопа; чертить и объяснять ход лучей в микроскопе; увеличение микроскопа и от чего оно зависит; что понимают под разрешающей способностью микроскопа, пределами разрешения; способы увеличения разрешающей способности микроскопа; оценку разрешаемого расстояния, размеров микрообъектов; специальные приемы микроскопии.

Студент должен уметь: пользоваться микроскопом; определять коэффициенты увеличения окуляра, объектива, полное увеличение микроскопа; находить разрешающую способность и разрешающее расстояние микроскопа; определять размеры микрообъектов.

Краткая теория

Микроскоп представляет собой сложную центрированную оптическую систему, позволяющую увеличить угол зрения при рассмотрении мелких объектов.

Основными оптическими частями микроскопа являются объектив и окуляр. В первом приближении их можно рассматривать как две короткофокусные, тонкие линзы. Тогда упрощенно ход лучей в оптическом микроскопе может быть предоставлен на рис.1.

Рассматриваемый предмет АВ помещается перед объективом чуть дальше его переднего фокуса. Объектив дает действительное, увеличенное и обратное изображение А^/ В^/, которое рассматривается в окуляр, действующий как лупа.

Рассматривая различные приборы, вооружающие глаз, в том числе и микроскоп, следует помнить, что в каждом случае эти приборы и глаз образуют единую оптическую систему, существенным элементом которой являются глаза.

Вся эта система в целом дает изображение предмета на сетчатке глаза (А^/// В^/// в случае микроскопа) и кажущаяся величина предмета оценивается нами по величине этого изображения. Отношение длин изображения на сетчатке, в случае рассматривания предмета в микроскоп и без него, называется видимым увеличением микроскопа.

Рис.1.

Ход лучей в оптическом микроскопе

Согласно рис.2 оно равно отношению, где и - соответственно углы зрения, под которыми предмет виден через микроскоп и без него. В большинстве случаев, вследствие малости углов и , отношение их тангенсов примерно равно отношению самих углов - так называемому угловому увеличению микроскопа.

O- оптический центр глаза, ав – изображение предмета АВ на сетчатке в случае невооруженного глаза; - угол зрения невооруженного глаза; - изображение на сетчатке глаза при рассмотрении предмета АВ в микроскоп; - угол зрения глаза, вооруженного микроскопом; D- расстояние наилучшего зрения.

Увеличение микроскопа численно равно произведению углового увеличения окуляра на линейное увеличение объектива:

К=К_ок . К _об.

Рис. 2.

Ход лучей через окуляр и глаз при построении изображения

от предмета АВ

Линейное увеличение объектива равно:

, т.к.

-оптическая длина тубуса,- фокусное расстояние объектива.

Угловое увеличение окуляра: ,

где D- расстояние наилучшего зрения (25см для нормального глаза), - фокусное расстояние окуляра.

Окончательно, увеличение микроскопа:

К=.

Из приведенной формулы следует, что соответствующим подбором линз можно получить весьма большое увеличение микроскопа.

Обычно же увеличение оптического микроскопа ограничивают значением 1000-2000. Такое ограничение обусловлено невозможностью различения мелких деталей при большом увеличении вследствие дифракции света на структуре рассматриваемого объекта.

Минимальное расстояние между двумя точками, которые видны в микроскоп раздельно, называют пределом разрешения (или разрешаемым расстоянием) Z. Чем меньше предел разрешения, тем более мелкие детали можно наблюдать с помощью данного микроскопа, и говорят, что его разрешающая способность (величина, обратная пределу разрешения) больше.

Разрешающая способность микроскопа обусловлена волновыми свойствами света, поэтому выражение для предела разрешения можно получить, учитывая дифракционные явления. Из дифракционной теории образования изображения в микроскопе (теория Аббе) следует, что разрешаемое расстояние Z определяется по формуле:

(1)

г

Рис. 3.

Определение апертурного угла микроскопа

де - длина волны света, освещающего предмет; n – показатель преломления среды, между предметом и объективом микроскопа, u- апертурный угол микроскопа – угол, образованный оптической осью и лучом, проведенным от края отверстия объектива к точке 0 пересечения плоскости предмета с оптической осью (рис.3).

Величина А= называется числовой апертурой объектива. Знание ее оказывается полезным при изучении биологических объектов (например, микробов), когда нужно правильно подобрать объектив, позволяющий различать объекты желаемого размера.

Заметим, что указанное выражение для разрешаемого расстояния справедливо в случае освещения предмета пучком параллельных лучей. При освещении же предмета с помощью конденсора сходящимся пучком света величина Z оказывается примерно вдвое меньше.

(2)

Это означает, что при таком способе освещения предмета могут различаться детали вдвое меньше, чем при освещении пучком параллельных лучей, т.е. возможность различения деталей улучшается. Кроме того, как видно из формулы (2), разрешающая способность может быть повышена при освещении предмета светом с меньшей длиной волны (Ультрафиолетовая микроскопия), или увеличения числовой апертуры.

Для последней цели служит применение иммерсионных систем, в которых пространство между предметом и объективом заполняется жидкой средой – иммерсией. В качестве иммерсии применяют кедровое масло (n=1,51), глицерин (n=1,48), монобромнафталин (n=1,66) и др.

Следует запомнить, что разрешающая способность микроскопа зависит только от разрешающей способности объектива, и не зависит от увеличения окуляра.

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Определение увеличения объектива

Для определения увеличения объектива используются две шкалы: окулярный микрометр (С_ок=0,1 мм), который установлен в тубусе окуляра и объективный микрометр (используется камера Горяева с С_об = 0,05 мм).

1) Положить камеру Горяева на предметный столик.

2) Медленно перемещая тубус микроскопа, найти резкое изображение шкалы камеры Горяева.

3) Найти совпадающие штрихи обеих шкал, между которыми укладывается целое число делений и подсчитатьи

4) По формуле рассчитать увеличение объектива.

Упражнение 2. Определение увеличения окуляра и микроскопа

1) Вынуть из тубуса окуляр и с помощью линейки измерить расстояние "а" между линзами.

2) Рассчитать фокусное расстояние окуляра по формуле

3) Рассчитать увеличение окуляра , где D – расстояние наилучшего зрения (D=25 см).

4) Найти увеличение микроскопа

Упражнение 3. Определение пределов разрешения микроскопа

Предел разрешения микроскопа , где- λ - длина волны света (λ =0,55 мкм)

n - показатель преломления (n = 1),

U - апертурный угол (рис. 4).

Для определения апертурного угла необходимо:

1

Рис. 4.

Схема определения апертурного угла U

) Положить на столик микроскопа тонкую металлическую пластинку с маленьким отверстием, перемещая тубус микроскопа установить резкое изображение отверстия.

2) Снять осветительное зеркало и на основание микроскопа положить линейку с движками.

3) Вынуть окуляр и, рассматривая в микроскопе уменьшенное изображение шкалы линейки, установить движки линейки на границе поля зрения.

4) Измерить расстояние "х" между движками и расстояние "1" от линейки до отверстия в металлической пластине.

5) Найти

6) Определить разрешающее расстояние

Упражнение 4. Определение величины микрообъекта

1) На камеру Горяева поместить несколько песчинок.

2) Перемещая тубус, находят резкое изображение этих песчинок (зарисовать одну из них).

3) Подсчитать число делений "m" окулярного микрометра, которые занимает одна песчинка.

4) По формуле подсчитать размеры песчинок.

74