физика лабы / лаб.раб.№2-1

10

ИЖЕВСКИЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

Кафедра физики

РАБОТА № 2

Определение УВеличения микроскопа и нивелира

ЗНАКОМСТВО С ЭЛЕКТРОННЫМ МИКРОСКОПОМ

Ижевск 2000 г.

Р А Б О Т А № 2

Определение УВеличения микроскопа и нивелира

ЗНАКОМСТВО С ЭЛЕКТРОННЫМ МИКРОСКОПОМ

Приборы и принадлежности: 1) микроскоп; 2) объект-микрометр; 3) миллиметровая линейка; 4) нивелир; 5) шкала.

ОПИСАНИЕ ПРИБОРОВ

Для значительного увеличения малых объектов применяется микроскоп. В данной работе используется биологический микроскоп серии «Биолам» (рис. 1).

В устройстве микроскопа можно выделить 2 основные части – механическую и оптическую. Механическая часть включает в себя основание (1) прямоугольной формы, коробку с механизмом микрометрической фокусировки (4), который приводится в действие вращением рукояток (6), предметный столик (3), тубусодержатель (2). В нижней части тубусодержателя находятся две рукоятки(5) для грубой фокусировки микроскопа. В верхней части тубусодержателя укреплена головка (7) к которой с одной стороны прикреплено револьверное устройство (8)для крепления объективов, а с другой – насадка для окуляра (9). На предметном столике имеются две пружины-клеммы, прижимающие объект-микрометр и механизм координатного перемещения объекта.

Рис. 1

Оптическая часть микроскопа делится на две системы: осветительную, включающую в себя зеркало (12) и конденсатор (13), наблюдательную, состоящую из объектива (10) и окуляра (11). Конденсор состоит обыкновенно из двух или трех линз, при помощи которых отражающийся от зеркала свет концентрируется сходящимся пучком на объекте.

Объектив – важнейшая часть микроскопа, представляет собой систему линз, собранную в единой оправе. Передняя, так называемая фронтальная линза, производит увеличение, остальные же служат для исправления недостатков изображения и называются корректирующими.

Окуляр представляет собой сложную лупу, состоящую обычно из двух линз. Обе линзы заключены в короткую цилиндрическую оправу, которая вставляется в верхнее отверстие тубуса.

Несмотря на то, что объективы и окуляры современных микроскопов представляют собой сложные оптические системы, состоящие из нескольких линз, увеличение в каждой из этих систем производится только одной линзой. Поэтому для понимания хода лучей в микроскопе можно представить, что микроскоп состоит из двух собирающих линз – L₁ и окуляра L₂ (рис. 2).

Рис. 2

Объектив L₁ представляет собой короткофокусную линзу (фокус F₁). Окуляр L₂ – длиннофокусная линза (фокус F₂). Пусть перед объективом L₁ находится предмет АВ. Проследим ход лучей от любой точки этого предмета, например от точки В. Луч ВВ^I, проходящей через оптический центр линзы не претерпевает преломления. Второй луч исходящий от точки В параллельно главной оптической оси линзы, линзой преломится и пройдет через фокус F₁; при пресечении с лучом ВВ^I дает изображение точки В в точке В^I Проследив аналогично ход лучей от других точек предмета АВ, можно убедится, что изображение предмета, даваемое объективом, соответствует А^IВ^I. Как видно из рис. 2, это изображение, называемое промежуточным, находится между окуляром и его фоку­сом и является действительным, обратным, увеличенным. Далее промежу­точное изображение рассматривается через окуляр. Лучи, идущие от точек промежуточного изображения, например от точки В^I, за окуляром не пересекаются, следовательно не дают окончательного изображения. Точку В мы будем видеть на продолжении лучей в обратном направлении - в точке В^II, а окончательное изображение будет соответствовать А^IIB^II. Как видно из рис. 2, это изображение по отношению к промежуточному изображению является увеличенный, мнимым, обратным.

УВЕЛИЧЕНИЕМ микроскопа называется отношение линейных размеров изображения предмета, видимого при помощи данного микроскопа, к линейным размерам того же предмета, видимого невооруженным глазом на расстоянии ясного зрения (25 см для нормального глаза). Увели­чение микроскопа равно произведению увеличении, даваемых объективом и окуляром в отдельности.

Обозначим линейное увеличение, даваемое объективом, через n₁ и окуляром через n₂ . Можно написать:

Перемножив эти выражения, получим увеличение микроскопа:

Для опытного определения увеличения микроскопа нужно сравнить величины самого предмета и его изображения. В качестве предмета изображение которого мы рассматриваем через микроскоп, в настоящей работе используется так называемый объект-микрометр. Объект-микрометр представляет собой металлическую пластинку, в середину которой вставлен прозрачным стеклянных кружок (рис. 3).

Рис. 3

На поверхности стеклянного кружка нанесены деления. Деления эти невооруженным глазом не видны, т.к. цена каждого деления равна все­го 0,01 мм. Вид изображения шкалы на объект-микрометре приведен на рис. 3. Производится сравнение величины изображения шкалы объект-микрометра с миллиметровой масштабной линейкой, видимой невооруженным глазом. Для этого деления миллиметровой линейки должны покрывать деления шкалы ооъект-микрометра, т.е. и те и другие деления должны быть видны одновременно. Чтобы наложить деления миллиметровой линейки на изображение шкалы объект-микрометра, линейку следует установить горизонтально в плоскости изображения обьект-микрометра. Чтобы уви­деть деления линейки, применяется специальное приспособление, называ­емое рисовальным аппаратом, принцип действия которого поясняется на рис. 4. Над окуляром микроскопа помечен стеклянный кубик, составленный из двух призм. Гипотенуза одной из них посеребрена, причем в центре площади гипотенузы оставлена полоса (шириной 2 мм), свободная от се­ребрения. Эта полоса пропускает лучи света от объекта в глаз наблю­дателя.

Свет от линейки L отражается зеркалом З, затем диагональной плоскостью qq кубика и так же попадает в глаз наблюдателя. С помощью описанного приспособления мы имеем возможность видеть на фоне неувеличенного изображения миллиметровой линейки увеличенное изображение объект-микрометра.

Общий вид этого приспособления, 14 укрепленного на микроскопе, приведен на рис. 1. Кубик рисовального аппарата помещен в обойме, которая может откидываться. В обойме на боковой ее поверхности помещен ряд фильтров, которыми можно регулировать яркость и окраску изображения линейки L. Смена фильтров достигает­ся вращением обоймы.

Для определения увеличения микроскопа нужно отсчитать, сколько делений линейки покрывает некоторое число делений объект-микрометра. Пусть N₁ делений объект-микрометра покрывают N₂ делений линейки. Цена деления объект-микрометра – α₁ (α₁ = 0,01 мм), цена деления линейки – α₂ (α₂ = 1 мм). Тогда можно записать:

где n – увеличение микроскопа. Отсюда

НИВЕЛИР – оптический инструмент, использующийся для измерения –превышения одних точек земной поверхности над другими. Такие измерения производятся при выборе места под сады, виноградники, при планировке строений и во многих других случаях. Нивелир (рис. 5) состоит из зрительной трубы 1, укрепленной на основании 2.

Рис. 5

Зрительная труба как и микроскоп, имеет объектив 3 и окуляр 4. Но и противоположность микроскопу объектив нивелира - длиннофокусная линза, а окуляр - короткофокусная линза. Фокусировка трубы осуществля­ется перемещением так называемой фокусирующей линзы, которая находит­ся в специальной оправе внутри зрительной трубы между объективом и окуляром. Перемещение фокусирующей линзы осуществляется винтом 5, расположенным сбоку на корпусе трубы.

Увеличение нивелира может быть определено в принципе аналогич­но тону, как это делалось для микроскопа. Представим, что мы рас­сматриваем через трубу некоторую шкалу и видим её увеличенное изображение. Совместим видимое увеличенное изображение шкалы с самой шкалой. Практически это можно осуществить, если на шкалу смотреть одновременно обоими глазами, причем одним глазом непосредственно, а другим через трубу. В этом случае мы увидим две наложенных друг на друга шкалы (рис. 6).

Рис. 6

Если теперь выбрать некоторый участок, чтобы в нем улеглось N₁ делений изображения шкалы и N₂ делений самой шкалы, то увеличение трубы может быть вычислено так:

Желательно выбрать такой участок шкалы, чтобы N₁ и N₂ были целыми. Например, на рис. 6 целесообразно взять 8 делений шкалы (N₂ = 8), т.к. в этом интервале укладывается ровно 3 деления изображения (N₁ = 3).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

УПРAЖHEHHE I

ОПРЕДЕЛЕНЛЕ УВЕЛИЧЕНИЯ МИКРОСКОПА

1. На предметный столик микроскопа положить объект-микрометр.

2. Откинуть дополнительную насадку с окуляра и сфокусировать микроскоп с помощью винтов 5 и 6 (рис. 1) на ясное видение шкалы объект-микрометра.

3. Параллельно объект-микрометру расположить миллиметровую масштабную линейку.

4. Дополнительную насадку восстановить на окуляр и изменением угла наклона зеркала установить глаз так, чтобы одновременно видеть как изображение шкалы объект-микрометра, в микроскопе, так и деления линейки, лежащей на столе.

5. Отсчитать, сколько делений линейки покрывает некоторое число делений объект-микрометра.

6. По формуле (1) вычислить увеличение микроскопа. Опыт повто­рить не менее 3 - 5 раз и найти среднее увеличение микроскопа. Вычислить среднюю относительную и среднюю абсолютную погрешности.

Результаты всех измерений и вычислений занести в таблицу 1.

Таблица 1

№№ опытов	Число делений объект-микрометра N1	Число делений линейки N2	Увеличение микро­скопа п	∆ n
1
2
3

Средняя относительная погрешность

Окончательный результат

УПРАЖНЕНИЕ 2

ОПРеделение увеличения нивелира

1. Установив трубу на ясное видение удаленная на несколько метров линейки с делениями, смотреть одним глазом на изображение этой линейки через трубу, а другим непосредственно на линейку.

2. Установить глаз так, чтобы изображение в трубе налагалось на видимую невооруженным глазом линейку.

3. Определить количество N₂ целых делений шкалы линейки, совпадающих с N₁ целыми делениями её изображения.

4. По формуле (2) вычислить увеличение нивелира. Опыт повторить несколько раз и определить среднее увеличение, вычислить среднюю абсолютную и относительную погрешности. Результаты всех измерений и вычислений занести в таблицу 2.

Таблица 2

№№ опытов	Число делений объект-микрометра N1	Число делений линейки N2	Увеличение микро­скопа п	∆ n
1
2
3

Средняя относительная погрешность

Окончательный результат

ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА

Самые малые предметы, различаемые человеческим глазом, имеют размер около 0,2 мм. Для наблюдения более мелких частиц прибегают к оптическим системам позволяющим получать увеличенные изображения. Наиболее совершенные световые микроскопы позволяет наблюдать предме­ты, которые в тысячу, две тысячи раз менее предметов, различаемых невооруженных глазом.

Применение в световой микроскопии еще больших увеличений оказы­вается бесполезным, т.к.. при этом не становятся видимыми какие-либо новые, более мелкие детали рассматриваемых объектов, а изменяется лишь масштаб изображения, т.е. разрешающая способность остается той же, что и у оптических систем с увеличением в 2 тысячи раз.

Разрешающая способность ограничивается в основном волновой при­родой света. При самых оптимальных условиях лучшие световые микроско­пы, вследствие явления дифракции, позволяют наблюдать частицы разме­ром около одной трети длины световой волны.

Для видимого света с длинами волн от 0,4 до 0,7 микрона (1 микрон

равен 0,001 мм) это соответствует объектам размером не менее 0,2 микрона; для более коротких, невидимых ультрафиолетовых лучей, приме­няемых также в микроскопии, - объектам 0,1 микрона.

Дальнейшее проникновение в жир малых объектов, недоступное самым совершенным световым микроскопам, стало возможным лишь при использовании в микроскопии электронных лучей, обладающих длинами волн во много раз более короткими, чем световые лучи.

Приборы в которых с помощью электронных лучей получают увеличенные изображения исследуемых объектов, получили название электронных микроскопов.

Современные электронные микроскопы дают полезное увеличение до 200 тысяч раз. Это позволяет наблюдать и изучать объекты, примерно в 100 раз более мелкие, чем при наблюдениях в световых микроскопах.

Пучку электронов, движущихся в пустоте с постоянной скоростью, обусловленной прохождением электронами ускоряющего электрического поля в "u" вольт, соответствует волновой процесс с длиной волны λ, определяемой выражением:

Для электронов, прошедших ускоряющее поле в 50 тысяч вольт (обыч-ное для микроскопа ЭМ - 5) длина волны оказывается в 100 тысяч раз более короткой, чем длины волн видимого света.

С помощью электрического и магнитного полей можно придавать тра­екториям электронов весьма разнообразные формы. Можно, в частности, создать поле такой конфигурация, что оно будет собирать (фокусировать) в одну точку параллельные электронные лучи или, наоборот, будет превращать параллельные лучи в расходящиеся. Электрические и магнитные поля, способные симметрично отклонять и фокусировать электронные лучи, называются электронными линзами (электростати­ческими или магнитными или электромагнитными в зависимости от того, какое именно поле воздействует на эти лучи).

В электронном микроскопе создается соответствующий ход электронных лучей при помощи системы электронных линз (неоднородные электрические и магнитные поля, обладающие осевой симметрией).

В данной работе используется электронный микроскоп марки ЭМ - 5. Электронный микроскоп ЭМ - 5 построен с использованием электромагнитной оптики. Он позволяет получать на экране и фотографировать объекты при увеличении от 1000 до 100000 крат. Пользуясь той или иной методи­кой приготовления образцов, можно практически проводить исследования почти всех объектов, изучаемых в световой микроскопии.

Электронная микроскопия с успехом применяется для изучения: биологических объектов, вирусов, коллоидных растворов, красителей, катализаторов. силикатов, тонких металлических слоев, получаемых испарением в вакууме или катодным распылением, резины, каучука, пластмасс, металлов и их сплавов и т.д.

Принципиальная оптическая схема ЭМ-5 аналогична схеме светового микроскопа, в которой все оптические световые элементы замечены соответствующими электрическими элементами. Источник света заменяется источником электронов, а стеклянные линзы - линзами электромагнитными (рис. 7).

Рис. 7

Источником электронов является электронная пушка, состоящая из катода (К), управляющего электрода (УЭ) и анода (А). Электрон­ная пушка создает пучок быстрых электронов, который с помощью конденсаторной линзы формируется и направляется на исследуемый объект.

Пучок электронов, сфокусированнъй конденсаторной линзой, проходит сквозь объект и попадает в объективную электромагннитую линзу. Объективная линза создает первое увеличенное изображение объекта.

После объективной линзы электроны попадают в промежуточную линзу. Эта линза используется для плавного изменения увеличения микроскопа, а также для наблюдения дифракции с участков исследуемых образцов (электронной микродифракции).

Проекционная линза создает конечное увеличенное электронное изображение объекта на флюоресцирующем экране, находящемся в нижней части колонны электронного микроскопа. Увеличение конечного изображения на экране определяется как произведение увеличений, даваемых объективной, промежуточной и проекционной линзами.

Получение контрастного изображения в электронном микроскопе обусловлено тем, что различные участки образца по разному рассеивают проходящие через них электроны.

Через апертурную диафрагму объективной линзы будут проходить только те электроны, которые при прохождении через объект откло­няются на сравнительно малые углы, на экране соответствующие участки будут светлыми. В тех местах, где имеется рассеяние, на экран попадут не все электроны, прошедшие через объект, и соот­ветствующие элементы изображения на экране будут темными. Получен­ное таким образом на экране микроскопа изображение называется "светлопольным".

В виду того, что электроны значительно рассеиваются воздухом; последний приходится во время работы микроскопа непрерывно откачивать, поддерживая разряжение в колонне порядка 4*10^-4 мм. рт. ст.

ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОННОГО МКРОСКОПА

Электронный микроскоп состоит из следующих основных частей:

а) колонны;

б) вакуумной системы;

в) системы электропитания с пультом управления.

Колонна электронного микроскопа высотой примерно 1,1 м и диаметром 220 мм установлена на столе микроскопа. Внутри стола размещены вакуумная система и система электропитания. В колонне микроскопа (рис. 8), следуя сверху вниз, располагаются следующие основные системы элементы:

Рис.8

a) осветительная система микроскопа, состоящая из электронной пушки -(головки I и анода 2) и конденсорной линзы 3, фокусирующей электронный пучок на исследуемый объект;

б) камера образцов 14 с предметным столиком 4, позволяющим перемещать объект в горизонтальной плоскости в двух взаимно перпендикулярных направлениях, - для поиска нужного участка объекта, и наклонять объект на

+/- 5° относительно оптической оси микроскопа - для производства стереоснимков объекта;

в) объективная электромагнитная линза 6, дающая первое увели­ченное изображение;

г) промежуточная электромагнитная линза 7, дающая второе увеличенное изображение и служащая для плавного изменения диапазона увеличений, а также поучения микродифракции объектов;

д) смотровая насадка 8 для наблюдения изображения на промежуточном экране 23;

е) проекционная электромагнитная линза 9, дающая конечное Увеличенное изображение, рассматриваемое на флюоресцирующем экра­не 10;

ж) фотокамера микроскопа II с флюоресцирующем экраном 10 и фотокассетной частью 41, расположенной под экраном.

Фотокамера имеет три смотровых окна для наблюдения конечного изображения на экране.

В вакуумную систему входят ротационный форвакуумный насос, служащий для создания в колонне микроскопа предварительного вакуума, диффузионный масляный насос высокого вакуума и вакуумный распределитель.

В систему электропитания входят высоковольтный блок, низковольтные блоки, распределительный щиток, система электросоединений и пульт управления.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Расскажите устройство микроскопа.

2. Начертите ход лучей в микроскопе.

3. Что называется увеличением микроскопа ?

4. Расскажите как определить увеличение микроскопа ?

5. Расскажите как определить увеличение нивелира ?

6. Расскажите принцип действия электронного микроскопа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Савельев И.В. «Курс общей физики», т. 3. §§ 2,3; 1971.

2. Зисман Г.А., Toдес О. М. «Курс общей физики», т. 3, § 9.(1972)

3. Фриш С. Э., Тиморева А.В. "Курс общей физики" т. 3, § 328, 1957.

4. Путилов К.А. "Курс физики" т. 3, § 12, (1960).

5. Ландсберг Г.С. "Оптика", § 82 (1957).

6. Грабовский Р.Н. "Курс физики" §§ 101, 118 (1974).