60

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.8

ИЗМЕНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ

ВЕЩЕСТВ С ПОМОЩЬЮ МИКРОСКОПА

Цель работы: ознакомление с одним из методов определения показателей преломления прозрачных твердых тел.

Приборы и принадлежности:

1. микроскоп;

2. микрометр;

3. набор прозрачных пластинок с нанесенными на их поверхность рядами продольных и поперечных штрихов;

4. осветитель.

Краткая теория

Элементы геометрической оптики

В основе геометрической оптики лежит понятие светового луча, т.е. элементарного, очень узкого светового пучка (или, иначе, оси этого пучка). Это понятие можно использовать лишь при условии, что размеры фронт волны, вырезанного световым конусом, значительно превосходят длину световой волны (d >> λ), радиус R кривизны волновой поверхности также больше длины λ световой волны (R >> λ), а изменение показателя преломления происходит весьма медленно (λ ). Переход к очень малым отверстиям, вырезающим световой пучок, приводит к увеличению дифракции света; поэтому получить сколь угодно узкий световой пучок оказывается невозможным.

Важнейшей задачей практической оптики является получение изображений, точно передающей форму предметов (в частности, источников света). Эта задача может быть решена путем создания условий сохранения гомоцентрических световых пучков. Световой пучок называется гомоцентрическим, если он выходит из одной точки, из одного центра или, напротив, сходится в нем.

Управление световым пучком осуществляется с помощью зеркал, призм, линз и светодиодов.

Элементарные сведения о микроскопе

Глаз, невооруженный никаким оптическим приспособлением, на расстоянии наилучшего зрения (25 см.) различает мелкие структурные образования (точки и линии) на поверхности тела или внутри прозрачного образца с разрешением (при расстоянии между ними) 0,08 мм. Для того, чтобы рассматривать предметы с более мелкими деталями (структурой), нужно увеличить угол, под которым они наблюдаются (угол зрения). Этого можно достичь с помощью лупы или микроскопа.

В основу микроскопа, как оптического прибора, положено такое взаимное расположение линз, при котором увеличенное системой линз изображение предмета еще раз увеличивается при помощи другой системы.

Микроскоп содержит две части: механическую и оптическую. Механическая часть микроскопа (рис. 1.1) состоит из основания A, колонки тубусо-держателя В, тубуса С, кремальеры с ведущим барашковым колесиком D. предметного столика Е и - Микрометрического винта F

Вращением барашковых колесиков осуществляется быстрое опускание и поднятие тубуса. Для медленного (точного) перемещения тубуса служит микро­метрический винт F. С помощью микрометрического винта можно определять толщину (высоту) исследуемого под микроскопом предмета путем последовательных фокусировок верхней и нижней поверхностей .

Рис.7

Оптическая часть состоит из объектива Об, окуляра Оk и зеркала S.

К оптической системе относятся прежде всего объектив и окуляр, позволяющие увеличить угол зрения, под которым производится наблюдение, и устройство для освещения объекта (зеркало и конденсор). На рис. 1.2. представлена схема хода лучей в микроскопе.

О бъект АВ, помещенный вблизи главного фокуса объектива (Об) создает действительное, увеличенное изображение А₁ В₁ (рис.1.2). Изображение даваемое объективом, затем рассматривается через окуляр (Ок), действующий как лупа; А₂ В₂ – мнимое, увеличенное, перевернутое по отношению к предмету изображение, полученное с помощью окуляра.

Т ак как требуется получить достаточно большое увеличение, как с помощью объектива, так и с помощью окуляра, то расстояние от объекта до объектива (до его передней главной плоскости) должно очень мало отличаться от его фокусного расстояния (d₁ ≥ F_об), как и расстояние от первичного изображения, получаемого с помощью объектива, от окуляра – от фокусного расстояния последнего (d₁ ≤ F_об). Поэтому увеличения, даваемые

объективом и окуляром , можно приближенно выразить так:

и ,

(1.1)

где l – длина тубуса микроскопа, а L –расстояние наилучшего зрения. Более точные формулы этих увеличений имеют вид:

и .

(1.2)

Общее увеличение, обеспечиваемое микроскопом, равно:

.

(1.3)

Из формулы (1.3) видно, что увеличение, даваемое микроскопом, тем больше, чем меньше фокусные расстояния объектива и окуляра. Однако нельзя сделать его сколь угодно большим; главным препятствием на этом пути является дифракция света, обусловленная его волновой природой. Наибольшее увеличение, получаемое с помощью оптического микроскопа, достигает x1350.

В 1873 году Аббе разработал дифракционную теорию светового микроскопа, согласно которой формирование изображения происходит благодаря двум эффектам; сначала имеет место дифракция света на микроскопических деталях объекта, а затем. После прохождения дифрагированных световых пучков через объектив, происходит их интерференция.

С особенностями образования дифракционного изображения точечного объекта (точечного источника или рассеивателя света) связана разрешающая способность микроскопа. Когда две светящиеся точки находятся на не слишком малом расстоянии друг от друга (не меньше длины световой волны), то при рассматривании их через микроскоп они видны раздельно.

Если же эти точки сближаются, то их изображения (центральные светлые пятна, окруженные несколькими светлыми кольцами значительно меньшей интенсивности) начинают накладываться друг на друга, а затем практически сливаются в одно. Изображения двух источников (светлые пятна) можно ещё различать, если центр одного из светлых пятен находится в середине первого темного кольца, окружающего второе светлое пятно (критерий Рэлея).

Разрешающей способностью микроскопа называется величина, обратная тому наименьшему расстоянию δ между двумя элементами структуры («точками»), при котором они ещё могут быть видимы раздельно. Теория микроскопа приводит к формуле:

,

(1.4)

где, λ – длина волны используемого монохроматического света, n sin u –так называемая числовая апертура объектива, n – показатель преломления среды, находящейся между предметом и объективом, а u – угол между одним из крайних лучей, попадающих в объектив, и оптической осью объектива (см. рис. 1.1).

Из формулы (1.4) видно, что улучшения (увеличения) разрешающей способности микроскопа можно добиться как уменьшением длины волны используемого света, так и увеличением числовой апертуры. Первый способ реализуется при использовании ультрафиолетового и даже рентгеновского излучений, а также электронных и ионных пучков; второй способ основан на использовании иммерсионных жидкостей ( между предметом и объективом) с показателем преломления от 1,3 до 1,8.