Способы уменьшения предела разрешения.

1. Переход к более коротким длинам волн, что осуществляется в современных ультрафиолетовых микроскопах. Однако это требует изготовление оптики микроскопа из кварцевого стекла или флюорита, и ограничено длинами волн 200 -250 нм, т.к. большинство биологических объектов сильно поглощают короткий ультрафиолет. Изображение рассматривается либо на флюоресцирующем экране, либо фотографируется. Микроскопирование в ультрафиолетовых лучах дает возможность увеличить разрешающую способность микроскопа примерно в два раза.

Для дальнейшего увеличения разрешающей способности микроскопа, применяют электронные микроскопы, в которых используются волновые свойства быстрых электронов. Их длина волны очень мала, т.к. они разгоняются до очень больших скоростей. Поэтому предел разрешения составляет примерно 0,1 нм.

2. Введение иммерсионной среды.

Иммерсией называется жидкость, вводимая между объектом и объективом микроскопа, которая имеет показатель преломления, близкий к показателю преломления вещества, из которого изготовлена линза.

В качестве иммерсии используют воду (n=1.33), касторовое масло (n=1.5). При введении иммерсии, свет от объектива до предмета проходит в оптически однородной среде. Это позволяет увеличить яркость изображения и уменьшить угол дифракции для лучей, образующих максимумы первого порядка.

Z=l/(n sinU), где n - показатель преломления иммерсии.

3. При рассматривании объекта в наклонных лучах, величина предела разрешения определяется как: Z=l/(2n sinU).

Эта формула определяет возможности оптического микроскопа давать максимальное увеличение, не искажая его форму.

Электронный микроскоп.

Электроны, разгоняясь в электрическом поле до очень больших скоростей, обладают малой длиной волны, что определяет большую разрешающую способность электронных микроскопов. Под действием электрического поля, электроны получают достаточно большую кинетическую энергию, функцией которой является скорость:

eU=(mu²)/2 откуда u=(2eU)/m (все после знака «=» под корнем)

По формуле Луи де Бройля l=h/m u

l=h/(m·[(2eU)/m]); l=h/([(2emU)]) (все в квадратных скобках под корнем), где h - постоянная Планка, U - ускоряющее напряжение, e и m - заряд и масса электрона.

Современные электронные микроскопы позволяют рассматривать предметы, размером, примерно, около 10 нм.

Электроны могут увеличивать свою кинетическую энергию, т.е. скорость под действием магнитного поля. Если вектор его скорости совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля, то он движется параллельно силовым линиям. Когда же вектор скорости электрона перпендикулярен направлению вектора индукции магнитного поля, то он начинает двигаться по круговой орбите.

Фокусировка электрона осуществляется с помощью магнитного поля (длинные и короткие магнитные линзы).

Длинная магнитная линза представляет собой соленоид, поле внутри которого однородно.

Пусть в этом поле имеется точка А, в которой находится источник электронов, испускающихся по всем направлениям с одинаковой скоростью. Рассмотрим движение электрона, который излучается под небольшим углом к силовым линиям магнитного поля.

Разложим скорость на две составляющие: вдоль силовых линий (движение равномерное) и перпендикулярно к ним. На электрон, двигающийся перпендикулярно силовым линиям, действует сила Лоренца:

F_Л=keBv^.sina

Здесь В - магнитная индукция поля.

Под действием этой силы электрон будет двигаться по окружности. Тогда, результирующее движение в магнитном поле будет представлять собой движение по винтовой линии, а этот электрон и все остальные, вылетающие под небольшим углом к направлению силовых линий, соберутся в некоторой точке В, которая будет являться изображением точки А, равное ей по величине, причем точка В будет располагаться на той же линии, что и точка А.

Таким образом, соленоид не дает увеличения или уменьшения предмета, т.е. Г=1, он играет роль конденсора.

Для получения увеличенного изображения используют короткие магнитные линзы, поле которых неоднородно и протяженность очень мала. Чтобы добиться этого, катушку окружают металлическим кожухом, оставляя узкую кольцевую щель и ставят конусные полюсные наконечники.

Электроны, идущие из точек А и В предмета, соберутся в точках А₁ и В₁. Расстояние между этими точками много больше расстояния между точками А и В, т.е. мы получим увеличенное прямое изображение.

В этом и состоит принцип работы короткой магнитной линзы. Ее фокусное расстояние до 1 мм, а увеличение порядка 300.

Электронный микроскоп состоит (рис. 1.5.8).

1. Источник электронов - электронная пушка.

2. Диафрагма.

3. Конденсорная линза - длинная магнитная линза, заставляющая двигаться электроны параллельным пучком.

4. Объективная линза - короткофокусная магнитная линза, дающая промежуточное изображение.

5. Проекционная линза - короткофокусная магнитная линза, дающая окончательное изображение предмета.

6. Фотокамера.

7. Вакуумная система.

8. Блоки питания и все детали микроскопа заключены в трубку с низким давлением, порядка 10^-4 мм рт. ст.

В электронной пушке электроны разгоняются под действием напряжения до 100 кв. Пройдя конденсорную линзу, параллельный пучок электронов попадает на объект. Чтобы исключить значительное поглощение электронов объектом, его наносят на очень тонкую коллоидную пленку, толщина которой 10 - 20 мк.

Электронный луч, проходя через объект, рассеивается на некоторый угол, который называется апертурой. В объективной линзе электронный пучок ограничивается металлическим кольцом, называемым апертурной диафрагмой. Она ограничивает пучок электронов, тем самым устраняется сферическая аберрация.

Электроны, рассеянные объектом, собираются объективной линзой в плоскости, где образуется промежуточное перевернутое, увеличенное изображение объекта.

Проекционная линза еще больше увеличивает изображение и, в определенной плоскости за ней, формируется окончательное изображение объекта.

Длина волны, движущихся электронов, достигает порядка нескольких сотых ангстрема (0,05Á), что позволяет получить предел разрешения в несколько ангстрем. Это соответствует увеличению порядка 10⁵ - 10⁶ раз.

 

Поляризация света.

Свет по Максвеллу представляет собой электромагнитную волну - совокупность меняющихся взаимосвязанных электрического и магнитного полей. Напряженность электрического поля Е, величина магнитной индукции В, направление распространения света ОX перпендикулярны друг другу(рис. 1.4.9)

В источнике света излучение его отдельными атомами происходит независимо друг от друга. Это приводит к тому, что плоскости колебания электрической и магнитной составляющей световой волны будут постоянно меняться (рис. 1.5.10а). Такой свет называется естественным. Так как световое или зрительное ощущение вызывает электрическая составляющая электромагнитной световой волны, то, в дальнейшем, мы будем говорить только о ней.

Свет, колебания электрической составляющей в котором происходит в определенной плоскости, называется плоско поляризованным (рис. 1.5.10в).

Плоскость электрической составляющей называется плоскостью колебания поляризованного луча, а плоскость магнитной составляющей, перпендикулярная ей, называется плоскостью поляризации.

Поляризацией света называется выделение из пучка естественного света лучей, ориентированных в определенной плоскости, т. е. поляризованных.

Поляризацию можно наблюдать при отражении и преломлении света, а также при прохождении его через анизотропные среды.

Отраженный луч будет полностью поляризован, если тангенс угла падения будет равен относительному показателю преломления среды, от границы которой происходит отражение (закон Брюстера).

tga=n

Устройства, служащие для получения поляризованного света, называют поляризаторами, а устройства, позволяющие определить положение в пространстве плоскости колебаний поляризованного света, называются анализаторами.

Поляризацию света можно получить при прохождении естественного света через кристалл исландского шпата. При падении естественного света на такой кристалл, имеет место явление двойного лучепреломления, которое заключается в разделении света на два световых пучка, идущих по несколько отличным направлениям. Один из них называется обыкновенным, а другой - необыкновенным.

Кристалл исландского шпата представляет собой прозрачный ромбоэдр, все плоскости которого параллелограммы с тупыми углами 102⁰ и острыми - 78⁰. В кристалле имеются две вершины, в которой сходятся три тупых угла (рис. 1.5.11).

Прямая, соединяющая эти вершины, называется кристаллографической осью, а любая прямая параллельная ей, называется оптической осью кристалла.

В направлении оптической оси двойного лучепреломления не наблюдается.

Плоскость, проведенная через падающий луч и оптическую ось, называется главным сечением кристалла.

Свойства обыкновенного и необыкновенного лучей:

1. Обыкновенный луч подчиняется законам преломления естественного света.

2. Для него показатель преломления есть величина постоянная (n₀=1,48).

3. Показатель преломления необыкновенного луча меняется в зависимости от его направления (n_н=1,48 - 1,66).

4. Обыкновенный и необыкновенный лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Отклонение необыкновенного луча происходит при нормальном падении света на грань кристалла.

Двойное лучепреломление происходит только в анизотропных средах. Анизотропными называются среды или вещества, свойства которых различны в различных направлениях.

Анизотропия объясняется неодинаковым расстоянием между атомами кристаллической решетки в различных направлениях и их неодинаковым взаимодействием в различных направлениях.

Двойное лучепреломление вызвано неодинаковой скоростью распространения световых волн в различных направлениях. В точке падения естественного света, образуется две световых волны (рис. 1.5.12).

Одна распространяется в кристалле во всех направлениях с одинаковой скоростью - это обыкновенный луч (фронт волны сферической). В другой - скорость по направлению оптической оси кристалла одинакова со скоростью в первой волне, а по направлению, перпендикулярному оптической оси, - больше. Это необыкновенный луч (фронт волны имеет эллипсоидальную форму).

Оптическая анизотропия наблюдается и у органических структур: например, у мышечных, соединительнотканных (коллагеновых) и нервных волокон. Исследование скелетного мышечного волокна в поляризованном свете показало, что более темные участки являются анизотропными и обладают свойством двойного лучепреломления, а более светлые участки являются изотропными. Поэтому скелетные мышцы называют поперечнополосатыми. Коллагеновые волокна целиком анизотропны, оптическая ось их расположена вдоль оси волокна. Нервные волокна сплошь анизотропны, их оптическая ось радиальна.

 Для гистологических исследований применяются поляризационные микроскопы. Это биологический микроскоп, снабженный двумя поляризационными устройствами: одно расположено перед конденсором и служит поляризатором, второе - в тубусе между объективом и окуляром и служит анализатором. Предметный столик вращается вокруг продольной оси микроскопа на 360^о.