Тема №4 микроскопические методы анализа

Оптическая микроскопия

Микроскоп – это оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов.

Микроскоп состоит из двух систем из окуляра и объектива. Объектив расположен близко к образцу (эпсилон). Создает первое увеличенное изображение объекта (эпсилон ’). Это изображение увеличивается в 2 или более раз для глаза смотрящего эпсилон''. На сетчатке формируется изображение эпсилон''' под значительно большим углом, что и определяет большое увеличение микроскопа.

1677 год изобретен микроскоп, Ливенгук впервые увидел простейшие организмы, просматривал пробу воды из канавки. В современных микроскопах применяются сложные оптические системы, а также создаются специальные условия освещения объектов. В результате такой микроскоп может увеличивать в несколько тысяч раз. N_оптприблизительно равно 10*10*10.

Если объект освещается обычным белым светом, то изображение объекта получается не резким. В системе линз оптические пучки лучей разного цвета не совпадают, они имеют разный путь, в результате изображение для каждой длинны волны получается сдвинутым, так как оптическая система разлагает белый свет в спектр. В результате мелкие детали становятся не различимы, чтобы организовать монохроматическое освещение в микроскопах используют специальные лампы и оптические фильтры, наиболее приближенные к монохроматическому свету одной длинны волны является излучения некоторых лазеров. Даже в случае монохроматического освещения существует предел разрешающей способности микроскопа, этот предел обусловлен волновой природой света, которая проявляется в дифракции световой волны на краях линз оптической системы.

Рисунок. А – общий вид дифракционной картины при наблюдении двух мелких объектов на небольшом угловом расстоянии. Б – предел разрешения двух точек по Реллею.

В оптической микроскопии для характеристики возможности увеличения фактической микроскопии используют понятия предельный угол разрешения и разрешающая способность. Предельный угол разрешения это угол при котором первое тёмноё дифракционной картины проходит через светлый центр второго, зависит от ƛ освещающего объекта, при этом минимальное разрешаемое микроскопом расстояние определяется по формуле:

E_min=ƛ/2А

A – числовая опертура. A≤1, зависит от материала и материала линзы.

Разрешающая способность микроскопа это величина обратная предельному углу разрешения. Правило Реллея – предельное разрешение оптического микроскопа не может быть больше половины длинны волны освещающего объект света.

Электронная микроскопия.

Был придуман в 1930 годы, чтобы увеличить разрешающую способность предложили вместо светового излучения использовать излучение фотонов (поток электронов) длинна волны которых определяется по формуле:

ƛ=h/mv – длинна волны Дебройля.

h – 6.624*10^-24 Дж*м

m – 0.9*10^-27

v – скорость электрона.

Предельная разрешающая способность электронных микроскопов в 1000 раз больше чем у оптических микроскопов. Для того чтобы получить изображение в микроскопе используется поток электронов испускаемых раскалённым катодом. Управляются электроны с помощью внешних электромагнитных полей. Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями так же как световое оптическими линзами. Устройство фокусировки и рассеяния электронного пучка называют электронными линзами. Поскольку глаз не может непосредственно воспринимать электронные пучки, то они направляются на люминисцетные экраны мониторов. Можно увидеть отдельные атомы. Наибольшее распространение получил растровый микроскоп (РЭМ). В таком микроскопе тонкий луч электронов диаметром 10нм сканирует образец по горизонтальным строчкам и синхронно передаёт сигнал на монитор, аналогичен работе телевизора. Источник электронов металл (вольфрам), из которого при нагревании испускаются электроны – термоэлектронные эмиссии. Необходимость работы в полном вакууме, поскольку наличие газов внутри камеры может привести к его ионизации и исказить результаты. Электроны оказывают разрушительное воздействие на некоторые вещи. Позволяет увидеть атомную решётку, различить атом, однако его разрешения недостаточно, чтобы увидеть атомную структуру или наличие химических связей в молекуле. Для этой цели используют нейтронные микроскопы.

Нейтронные микроскопы. Нейтроны входят вместе с протонами, входят в состав атомных ядер и имеют массу в 2000 раз больше чем электроны. Разрешающая способность в 1000 раз выше, чем у электронных микроскопов. Основной недостаток нейтроны не могут управляться электромагнитными полями, поэтому соорудить их очень трудно.