Tipi di microscopi: descrizione, caratteristiche principali, scopo. In cosa differisce un microscopio elettronico da un microscopio ottico? Storia della creazione del microscopio e della sua struttura Messaggio del microscopio
Dalla storia del microscopio
Nel racconto “Microscope” di Vasily Shukshin, il falegname del villaggio Andrei Erin ha acquistato il sogno di una vita - un microscopio - con lo stipendio “trattenuto” da sua moglie e si è posto come obiettivo quello di trovare un modo per eliminare tutti i microbi sulla terra, dal momento che lui Credevo sinceramente che senza di loro una persona avrebbe potuto vivere più di centocinquant'anni. E solo uno sfortunato malinteso gli ha impedito di intraprendere questa nobile causa. Per persone con molte professioni, un microscopio è un'attrezzatura necessaria, senza la quale è semplicemente impossibile condurre molti studi e operazioni tecnologiche. Ebbene, in condizioni “domestiche”, questo dispositivo ottico consente a tutti di espandere i confini delle proprie capacità guardando nel “microcosmo” ed esplorando i suoi abitanti.
Il primo microscopio non fu progettato da uno scienziato professionista, ma da un “dilettante”, un commerciante di tessuti di nome Anthony Van Leeuwenhoek, che visse in Olanda nel XVII secolo. Fu proprio questo curioso autodidatta il primo a guardare attraverso un dispositivo da lui stesso costruito una goccia d'acqua e vide migliaia di minuscoli esseri, a cui chiamò la parola latina Animalculus ("piccoli animali"). Durante la sua vita, Leeuwenhoek riuscì a descrivere più di duecento specie di "piccoli animali" e, studiando sezioni sottili di carne, frutta e verdura, scoprì la struttura cellulare dei tessuti viventi. Per i servizi resi alla scienza, Leeuwenhoek fu eletto membro a pieno titolo della Royal Society nel 1680 e poco dopo divenne accademico dell'Accademia francese delle scienze.
I microscopi di Leeuwenhoek, di cui ne realizzò personalmente più di trecento durante la sua vita, erano una piccola lente sferica delle dimensioni di un pisello inserita in una cornice. I microscopi avevano un tavolino, la cui posizione rispetto all'obiettivo poteva essere regolata mediante una vite, ma questi strumenti ottici non avevano né supporto né treppiede: dovevano essere tenuti in mano. Dal punto di vista dell'ottica odierna, il dispositivo chiamato “microscopio Leeuwenhoek” non è un microscopio, ma una lente d'ingrandimento molto potente, poiché la sua parte ottica è costituita da una sola lente.
Nel corso del tempo, il design del microscopio si è evoluto in modo significativo, sono apparsi nuovi tipi di microscopi e i metodi di ricerca sono stati migliorati. Tuttavia, lavorare con un microscopio amatoriale fino ad oggi promette molte scoperte interessanti sia per gli adulti che per i bambini.
Dispositivo per microscopio
Il microscopio è uno strumento ottico progettato per esaminare immagini ingrandite di microoggetti invisibili a occhio nudo.
Le parti principali di un microscopio ottico (Fig. 1) sono la lente e l'oculare, racchiusi in un corpo cilindrico: un tubo. La maggior parte dei modelli destinati alla ricerca biologica sono dotati di tre obiettivi con diverse lunghezze focali e un meccanismo rotante progettato per il cambio rapido: una torretta, spesso chiamata torretta. Il tubo si trova sulla parte superiore di un enorme treppiede, che include un supporto per tubo. Appena sotto la lente (o una torretta con più lenti) c'è un palco su cui sono montate le diapositive con i campioni da studiare. La nitidezza viene regolata utilizzando la vite di regolazione grossolana e fine, che consente di modificare la posizione del tavolino rispetto all'obiettivo.
Affinché il campione in studio abbia una luminosità sufficiente per un'osservazione confortevole, i microscopi sono dotati di altre due unità ottiche (Fig. 2): un illuminatore e un condensatore. L'illuminatore crea un flusso di luce che illumina il farmaco in fase di studio. Nei microscopi ottici classici, la progettazione dell'illuminatore (integrato o esterno) prevede una lampada a bassa tensione con un filamento spesso, una lente collettrice e un diaframma che modifica il diametro del punto luminoso sul campione. Il condensatore, che è una lente collettrice, è progettato per focalizzare i raggi dell'illuminatore sul campione. Il condensatore ha anche un diaframma a iride (campo e apertura), con il quale viene regolata l'intensità della luce.
Quando si lavora con oggetti che trasmettono luce (liquidi, sezioni sottili di piante, ecc.), vengono illuminati con luce trasmessa: l'illuminatore e il condensatore si trovano sotto il tavolino portaoggetti. I campioni opachi devono essere illuminati frontalmente. Per fare ciò, l'illuminatore viene posizionato sopra il tavolino dell'oggetto e i suoi raggi vengono diretti verso l'oggetto attraverso la lente utilizzando uno specchio traslucido.
L'illuminatore può essere passivo, attivo (lampada) o costituito da entrambi gli elementi. I microscopi più semplici non dispongono di lampade per illuminare i campioni. Sotto il tavolo hanno uno specchio a due vie, di cui un lato è piatto e l'altro è concavo. Alla luce del giorno, se il microscopio è posizionato vicino a una finestra, è possibile ottenere un'illuminazione abbastanza buona utilizzando uno specchio concavo. Se il microscopio si trova in una stanza buia, per l'illuminazione vengono utilizzati uno specchio piano e un illuminatore esterno.
L'ingrandimento di un microscopio è uguale al prodotto dell'ingrandimento dell'obiettivo e dell'oculare. Con un ingrandimento dell'oculare di 10 e un ingrandimento dell'obiettivo di 40, il fattore di ingrandimento totale è 400. Tipicamente, un kit per microscopio da ricerca include obiettivi con un ingrandimento da 4 a 100. Un tipico set di lenti per microscopio per ricerca amatoriale e didattica (x 4 , x 10 e x 40) fornisce un aumento da 40 a 400.
La risoluzione è un'altra caratteristica importante di un microscopio, poiché determina la qualità e la chiarezza dell'immagine che forma. Maggiore è la risoluzione, più dettagli fini possono essere visti ad alto ingrandimento. In relazione alla risoluzione si parla di ingrandimento “utile” e “inutile”. “Utile” è l'ingrandimento massimo al quale viene fornito il massimo dettaglio dell'immagine. Un ulteriore ingrandimento (“inutile”) non è supportato dalla risoluzione del microscopio e non rivela nuovi dettagli, ma può influenzare negativamente la chiarezza e il contrasto dell'immagine. Pertanto, il limite dell'ingrandimento utile di un microscopio ottico non è limitato dal fattore di ingrandimento generale dell'obiettivo e dell'oculare - può essere fatto grande quanto si desidera - ma dalla qualità dei componenti ottici del microscopio, cioè dalla risoluzione.
Il microscopio comprende tre parti funzionali principali:
1. Parte illuminazione
Progettato per creare un flusso luminoso che consente di illuminare un oggetto in modo tale che le parti successive del microscopio svolgano le loro funzioni con estrema precisione. La parte illuminante di un microscopio a luce trasmessa si trova dietro l'oggetto sotto la lente nei microscopi diretti e davanti all'oggetto sopra la lente nei microscopi invertiti.
La parte illuminante comprende una sorgente luminosa (lampada e alimentatore elettrico) e un sistema ottico-meccanico (collettore, condensatore, diaframmi regolabili in campo e apertura/iride).
2. Parte riprodotta
Progettato per riprodurre un oggetto sul piano dell'immagine con la qualità dell'immagine e l'ingrandimento necessari per la ricerca (vale a dire, per costruire un'immagine che riproduca l'oggetto nel modo più accurato possibile e in tutti i dettagli con la risoluzione, l'ingrandimento, il contrasto e la resa cromatica corrispondenti a l'ottica del microscopio).
La parte di riproduzione costituisce il primo stadio di ingrandimento e si trova dopo l'oggetto rispetto al piano dell'immagine del microscopio. La parte riproduttiva comprende una lente e un sistema ottico intermedio.
I moderni microscopi dell'ultima generazione si basano su sistemi di lenti ottiche corrette all'infinito.
Ciò richiede inoltre l’uso dei cosiddetti sistemi di tubi, che “raccolgono” fasci di luce paralleli che escono dalla lente nel piano dell’immagine del microscopio.
3. Parte di visualizzazione
Progettato per ottenere un'immagine reale di un oggetto sulla retina dell'occhio, pellicola fotografica o lastra, sullo schermo di un televisore o monitor di computer con ingrandimento aggiuntivo (secondo stadio di ingrandimento).
La parte di visualizzazione si trova tra il piano dell'immagine dell'obiettivo e gli occhi dell'osservatore (macchina fotografica, macchina fotografica).
La parte di imaging comprende una testina di imaging monoculare, binoculare o trinoculare con un sistema di osservazione (oculari che funzionano come una lente di ingrandimento).
Inoltre, questa parte comprende ulteriori sistemi di ingrandimento (sistemi di ingrandimento grossista/cambio); allegati di proiezione, inclusi allegati di discussione per due o più osservatori; apparecchi per disegnare; sistemi di analisi e documentazione delle immagini con relativi elementi di abbinamento (canale foto).
Metodi di base per lavorare con un microscopio
Metodo del campo chiaro a luce trasmessa. Adatto per lo studio di oggetti trasparenti con inclusioni disomogenee (sezioni sottili di tessuti vegetali e animali, microrganismi protozoari nei liquidi, lamine sottili lucidate di alcuni minerali). L'illuminatore e il condensatore si trovano sotto il palco. L'immagine è formata dalla luce che passa attraverso un mezzo trasparente e viene assorbita da inclusioni più dense. Per aumentare il contrasto dell'immagine, vengono spesso utilizzati coloranti, la cui concentrazione è maggiore, maggiore è la densità dell'area campione.
Metodo del campo chiaro in luce riflessa. Utilizzato per studiare oggetti opachi (metalli, minerali, minerali), nonché oggetti dai quali è impossibile o indesiderabile prelevare campioni per la preparazione di microvetrini traslucidi (gioielli, opere d'arte, ecc.). L'illuminazione proviene dall'alto, solitamente attraverso una lente, che in questo caso svolge anche il ruolo di condensatore.
Metodi di illuminazione obliqua e campo scuro Metodi per studiare campioni con contrasto molto basso, ad esempio cellule viventi quasi trasparenti. La luce trasmessa viene applicata al campione non dal basso, ma leggermente di lato, per cui diventano visibili le ombre che formano dense inclusioni (metodo di illuminazione obliqua). Muovendo il condensatore in modo tale che la sua luce diretta non colpisca affatto l'obiettivo (il campione è illuminato solo dai raggi obliqui della luce), si può osservare nell'oculare del microscopio un oggetto bianco su sfondo nero (campo scuro metodo). Entrambi i metodi sono adatti solo per microscopi la cui struttura consente il movimento del condensatore rispetto all'asse ottico del microscopio.
Tipi di microscopi moderni
Oltre ai microscopi ottici esistono anche microscopi elettronici e atomici, che vengono utilizzati principalmente per la ricerca scientifica. Un microscopio elettronico a trasmissione convenzionale è simile a un microscopio ottico, tranne per il fatto che l'oggetto non viene irradiato da un flusso luminoso, ma da un fascio di elettroni generato da uno speciale riflettore elettronico. L'immagine risultante viene proiettata su uno schermo fluorescente utilizzando un sistema di lenti. L'ingrandimento di un microscopio elettronico a trasmissione può raggiungere un milione, tuttavia per i microscopi a forza atomica questo non è il limite. È ai microscopi atomici, in grado di condurre ricerche a livello molecolare e persino atomico, che dobbiamo molti degli ultimi risultati nei campi dell'ingegneria genetica, della medicina, della fisica dello stato solido, della biologia e di altre scienze.
Anche i microscopi ottici sono disponibili in diverse varietà e possono essere classificati in base a diversi criteri, ad esempio il numero di unità ottiche (monoculari/binoculari o stereo) o il tipo di illuminazione (polarizzante e fluorescente, interferenza e contrasto di fase). Per la pratica amatoriale è adatto un semplice microscopio ottico monoculare con un ingrandimento massimo di 400x. I dispositivi più complessi differiscono l'uno dall'altro nel design dell'illuminatore e del condensatore, sono speciali e vengono utilizzati in campi scientifici ristretti. Gli stereomicroscopi sono un tipo speciale, necessario per le operazioni microchirurgiche e la produzione di componenti microelettronici e sono indispensabili anche nell'ingegneria genetica.
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I.P. Kulibin era impegnato nella produzione di strumenti ottici a Nizhny Novgorod prima di partire per San Pietroburgo nel 1769. Lì era nel 1764-1766. progettò indipendentemente un telescopio riflettente del sistema Gregory, un microscopio e una macchina elettrica basata su campioni di strumenti inglesi portati a Nizhny Novgorod dal mercante Izvolsky. Lo stesso Kulibin scrisse di questo lavoro come segue: "Poi iniziò a esaminare vari esperimenti su come lucidare le lenti dei telescopi, con e attraverso questa lucidatura trovata creò un colosso speciale. Sulla base di questa invenzione, realizzò due telescopi tre arshins lungo, e uno mediocre, assemblato da cinque bicchieri, un microscopio... Per caso, ho ricevuto per esame un telescopio con specchi metallici di fabbricazione inglese, che, dopo averlo smontato, sia nel vetro che negli specchi, ha iniziato cercare punti incendiari verso il sole e togliere la distanza da quegli specchi e vetri ai punti incendiari. , mediante la quale sarebbe possibile sapere che tipo di concavità e convessità per vetri e specchi bisognerebbe fare stampi di rame per girando specchi e relativi vetri sulla sabbia, e da tutto quel telescopio feci un disegno... Poi cominciai a fare esperimenti, su come avvicinare questo e il metallo in proporzione; e quando la durezza e il candore cominciarono a sembrare simili a di essi, poi da lì ho versato degli specchi secondo il campione, ho cominciato ad affilarli nella sabbia sulle forme convesse delineate e già fatte, e su quegli specchi torniti ho cominciato a fare esperimenti su come vorrei trovare il modo di dare loro la stessa lucidatura netta, che continuò per parecchio tempo. Alla fine ho provato uno specchio lucidato su uno stampo di rame, strofinandolo con stagno bruciato e olio per legno. E così con quell'esperienza, da tanti specchi fatti, ne venne fuori uno specchio grande e un altro piccolo, brutto, in proporzione..." |
Macchina per la molatura e lucidatura di lenti ottiche. |
In "Opinione sugli specchi curvilinei", Kulibin confronta la relativa complessità della lavorazione degli specchi sferici e asferici. Esamina in dettaglio il processo di realizzazione di uno specchio concavo, dallo sbozzo del disco alla lucidatura, compresa. La ricetta per le leghe per realizzare specchi metallici, i metodi di fusione e la ricetta per il vetro selce hanno attirato l'attenzione di Kulibin. Nel suo lavoro, l'inventore si affida all'esperienza e alle tradizioni accumulate dai dipendenti del più antico laboratorio accademico (il laboratorio ottico fu fondato nel 1726), dove, sin dai tempi di Lomonosov, fu stabilita la produzione di numerosi strumenti ottici e dove i meccanici ottici più esperti e abili lavoravano, ad esempio, la famiglia Belyaev. Letteratura |
Il termine "microscopio" ha radici greche. Si compone di due parole, che tradotte significano “piccolo” e “io sembro”. Il ruolo principale del microscopio è il suo utilizzo nell'esame di oggetti molto piccoli. Allo stesso tempo, questo dispositivo consente di determinare le dimensioni e la forma, la struttura e altre caratteristiche dei corpi invisibili ad occhio nudo.
Storia della creazione
Non ci sono informazioni precise nella storia su chi sia stato l'inventore del microscopio. Secondo alcune fonti fu progettato nel 1590 dal padre e dal figlio Janssens, fabbricanti di occhiali. Un altro contendente al titolo di inventore del microscopio è Galileo Galilei. Nel 1609 questi scienziati presentarono al pubblico dell'Accademia dei Lincei uno strumento con lenti concave e convesse.
Nel corso degli anni, il sistema per la visualizzazione di oggetti microscopici si è evoluto e migliorato. Un passo enorme nella sua storia è stata l'invenzione di un semplice dispositivo a due lenti regolabile acromaticamente. Questo sistema fu introdotto dall'olandese Christian Huygens alla fine del 1600. Gli oculari di questo inventore sono ancora oggi in produzione. Il loro unico inconveniente è l'ampiezza insufficiente del campo visivo. Inoltre, rispetto al design degli strumenti moderni, gli oculari Huygens hanno una posizione scomoda per gli occhi.
Un contributo speciale alla storia del microscopio è stato dato dal costruttore di tali dispositivi, Anton Van Leeuwenhoek (1632-1723). È stato lui ad attirare l'attenzione dei biologi su questo dispositivo. Leeuwenhoek ha realizzato prodotti di piccole dimensioni dotati di una lente, ma molto resistente. Tali dispositivi erano scomodi da usare, ma non raddoppiavano i difetti di immagine presenti nei microscopi composti. Gli inventori riuscirono a correggere questo difetto solo 150 anni dopo. Insieme allo sviluppo dell'ottica, la qualità dell'immagine nei dispositivi compositi è migliorata.
Il miglioramento dei microscopi continua ancora oggi. Così, nel 2006, gli scienziati tedeschi che lavorano presso l'Istituto di Chimica Biofisica, Mariano Bossi e Stefan Hell, hanno sviluppato un nuovo microscopio ottico. Grazie alla capacità di osservare oggetti con dimensioni di 10 nm e immagini 3D tridimensionali di alta qualità, il dispositivo è stato chiamato nanoscopio.
Classificazione dei microscopi
Attualmente esiste un'ampia varietà di strumenti progettati per esaminare piccoli oggetti. Il loro raggruppamento si basa su vari parametri. Questo può essere lo scopo del microscopio o il metodo di illuminazione adottato, la struttura utilizzata per il progetto ottico, ecc.
Ma, di regola, i principali tipi di microscopi sono classificati in base alla risoluzione delle microparticelle che possono essere viste utilizzando questo sistema. Secondo questa divisione, i microscopi sono:
- ottico (luce);
- elettronico;
- Raggi X;
- sonde di scansione.
I microscopi più utilizzati sono quelli ottici. Ne trovi un'ampia scelta nei negozi di ottica. Con l'aiuto di tali dispositivi, vengono risolti i compiti principali di studio di un particolare oggetto. Tutti gli altri tipi di microscopi sono classificati come specializzati. Di solito vengono utilizzati in un ambiente di laboratorio.
Ciascuno dei tipi di dispositivi sopra indicati ha i propri sottotipi, che vengono utilizzati in un'area o nell'altra. Inoltre, oggi è possibile acquistare un microscopio scolastico (o educativo), che è un sistema entry-level. Anche i dispositivi professionali vengono offerti ai consumatori.
Applicazione
A cosa serve un microscopio? L'occhio umano, essendo uno speciale sistema ottico biologico, ha un certo livello di risoluzione. In altre parole, esiste una distanza minima tra gli oggetti osservati quando possono ancora essere distinti. Per un occhio normale, questa risoluzione è compresa tra 0,176 mm. Ma le dimensioni della maggior parte delle cellule animali e vegetali, dei microrganismi, dei cristalli, della microstruttura delle leghe, dei metalli, ecc. Sono molto inferiori a questo valore. Come studiare e osservare tali oggetti? È qui che diversi tipi di microscopi vengono in aiuto delle persone. Ad esempio, i dispositivi ottici consentono di distinguere strutture in cui la distanza tra gli elementi è di almeno 0,20 micron.
Come funziona un microscopio?
Il dispositivo con cui l'occhio umano può vedere oggetti microscopici ha due elementi principali. Sono la lente e l'oculare. Queste parti del microscopio sono fissate in un tubo mobile situato su una base metallica. C'è anche una tabella degli oggetti su di esso.
I moderni tipi di microscopi sono generalmente dotati di un sistema di illuminazione. Questo, in particolare, è un condensatore con diaframma a iride. Un set obbligatorio di dispositivi di ingrandimento comprende micro e macro viti, che vengono utilizzate per regolare la nitidezza. La progettazione dei microscopi comprende anche un sistema che controlla la posizione del condensatore.
Nei microscopi specializzati e più complessi vengono spesso utilizzati altri sistemi e dispositivi aggiuntivi.
Lenti a contatto
Vorrei iniziare a descrivere il microscopio con il racconto di una delle sue parti principali, ovvero l'obiettivo. Sono un sistema ottico complesso che aumenta le dimensioni dell'oggetto in questione sul piano dell'immagine. Il design delle lenti comprende un intero sistema non solo singolo, ma anche di due o tre lenti incollate insieme.
La complessità di un tale progetto ottico-meccanico dipende dalla gamma di compiti che devono essere risolti dall'uno o dall'altro dispositivo. Ad esempio, il microscopio più complesso ha fino a quattordici lenti.
L'obiettivo è costituito dalla parte anteriore e dai sistemi che la seguono. Qual è la base per costruire un'immagine della qualità richiesta e per determinare le condizioni di lavoro? Questa è una lente frontale o il loro sistema. Le parti successive dell'obiettivo sono necessarie per fornire l'ingrandimento, la lunghezza focale e la qualità dell'immagine richiesti. Tuttavia, tali funzioni sono possibili solo in combinazione con una lente frontale. Vale anche la pena ricordare che il design della parte successiva influisce sulla lunghezza del tubo e sull'altezza della lente del dispositivo.
Oculari
Queste parti del microscopio sono un sistema ottico progettato per costruire l'immagine microscopica necessaria sulla superficie della retina dell'occhio dell'osservatore. Gli oculari contengono due gruppi di lenti. Quello più vicino all'occhio del ricercatore è chiamato oculare, e quello più lontano è quello di campo (con il suo aiuto, la lente costruisce un'immagine dell'oggetto studiato).
Sistema di illuminazione
Il microscopio ha una struttura complessa di diaframmi, specchi e lenti. Con il suo aiuto viene garantita un'illuminazione uniforme dell'oggetto studiato. Già nei primissimi microscopi questa funzione veniva svolta e man mano che gli strumenti ottici miglioravano si cominciarono ad utilizzare prima specchi piani e poi concavi.
Con l'aiuto di dettagli così semplici, i raggi del sole o della lampada venivano diretti verso l'oggetto di studio. Nei microscopi moderni è più avanzato. È costituito da un condensatore e un collettore.
Tabella degli argomenti
Le preparazioni microscopiche che richiedono l'esame vengono posizionate su una superficie piana. Questa è la tabella degli oggetti. Diversi tipi di microscopi possono avere questa superficie, progettata in modo tale che l'oggetto di studio venga ruotato verso l'osservatore orizzontalmente, verticalmente o con una certa angolazione.
Principio operativo
Nel primo dispositivo ottico, un sistema di lenti dava un'immagine inversa di microoggetti. Ciò ha permesso di discernere la struttura della sostanza e i più piccoli dettagli oggetto di studio. Il principio di funzionamento di un microscopio ottico oggi è simile al lavoro svolto da un telescopio rifrattore. In questo dispositivo, la luce viene rifratta mentre passa attraverso la parte in vetro.
Come ingrandiscono i moderni microscopi ottici? Dopo che un fascio di raggi luminosi entra nel dispositivo, vengono convertiti in un flusso parallelo. Solo allora nell'oculare avviene la rifrazione della luce, grazie alla quale l'immagine degli oggetti microscopici viene ingrandita. Successivamente, questa informazione arriva nella forma necessaria all'osservatore nella sua
Sottotipi di microscopi ottici
Quelli moderni classificano:
1. Per classe di complessità per i microscopi da ricerca, da lavoro e scolastici.
2. Per area di applicazione: chirurgica, biologica e tecnica.
3. Per tipi di microscopia: dispositivi di luce riflessa e trasmessa, contatto di fase, luminescente e polarizzazione.
4. Nella direzione del flusso luminoso in invertito e diretto.
Microscopi elettronici
Nel corso del tempo, il dispositivo progettato per esaminare oggetti microscopici è diventato sempre più sofisticato. Apparvero tipi di microscopi in cui veniva utilizzato un principio di funzionamento completamente diverso, indipendente dalla rifrazione della luce. Nel processo di utilizzo dei tipi più recenti di dispositivi, sono stati coinvolti gli elettroni. Tali sistemi consentono di vedere le singole parti della materia così piccole che i raggi luminosi semplicemente fluiscono attorno ad esse.
A cosa serve il microscopio elettronico? Viene utilizzato per studiare la struttura delle cellule a livello molecolare e subcellulare. Dispositivi simili vengono utilizzati anche per studiare i virus.
Il dispositivo dei microscopi elettronici
Cosa sta alla base del funzionamento dei più recenti strumenti per la visione di oggetti microscopici? In cosa differisce un microscopio elettronico da un microscopio ottico? Ci sono somiglianze tra loro?
Il principio di funzionamento di un microscopio elettronico si basa sulle proprietà dei campi elettrici e magnetici. La loro simmetria rotazionale può avere un effetto di focalizzazione sui fasci di elettroni. Sulla base di ciò possiamo rispondere alla domanda: “In cosa differisce un microscopio elettronico da un microscopio ottico?” A differenza di un dispositivo ottico, non ha lenti. Il loro ruolo è svolto da campi magnetici ed elettrici opportunamente calcolati. Sono creati da spire di bobine attraverso le quali passa la corrente. In questo caso tali campi agiscono in modo simile: quando la corrente aumenta o diminuisce, la lunghezza focale del dispositivo cambia.
Per quanto riguarda lo schema elettrico, per un microscopio elettronico è simile a quello di un apparecchio luminoso. L'unica differenza è che gli elementi ottici vengono sostituiti da elementi elettrici simili.
L'ingrandimento di un oggetto nei microscopi elettronici avviene a causa del processo di rifrazione di un raggio di luce che passa attraverso l'oggetto studiato. A vari angoli, i raggi entrano nel piano della lente dell'obiettivo, dove avviene il primo ingrandimento del campione. Successivamente, gli elettroni si dirigono verso la lente intermedia. In esso c'è un cambiamento graduale nell'aumento delle dimensioni dell'oggetto. L'immagine finale del materiale in studio è prodotta dall'obiettivo di proiezione. Da esso l'immagine colpisce lo schermo fluorescente.
Tipi di microscopi elettronici
I tipi moderni includono:
1. TEM, o microscopio elettronico a trasmissione. In questa installazione, l'immagine di un oggetto molto sottile, spesso fino a 0,1 micron, è formata dall'interazione di un fascio di elettroni con la sostanza in esame e dal suo successivo ingrandimento da parte di lenti magnetiche situate nella lente.
2. SEM, o microscopio elettronico a scansione. Un tale dispositivo consente di ottenere un'immagine della superficie di un oggetto ad alta risoluzione, dell'ordine di diversi nanometri. Quando si utilizzano metodi aggiuntivi, un microscopio di questo tipo fornisce informazioni che aiutano a determinare la composizione chimica degli strati vicini alla superficie.
3. Microscopio elettronico a scansione tunnel o STM. Utilizzando questo dispositivo, viene misurato il rilievo delle superfici conduttrici con elevata risoluzione spaziale. Nel processo di lavoro con STM, un ago metallico affilato viene portato sull'oggetto studiato. In questo caso viene mantenuta una distanza di soli pochi Angstrom. Successivamente, viene applicato un piccolo potenziale all'ago, risultando in una corrente tunnel. In questo caso, l'osservatore riceve un'immagine tridimensionale dell'oggetto studiato.
Microscopi "Leevenguk"
Nel 2002 è apparsa in America una nuova azienda produttrice di strumenti ottici. La sua gamma di prodotti comprende microscopi, telescopi e binocoli. Tutti questi dispositivi si distinguono per l'elevata qualità dell'immagine.
La sede centrale e il dipartimento di sviluppo dell'azienda si trovano negli Stati Uniti, a Fremond (California). Ma per quanto riguarda gli impianti di produzione, si trovano in Cina. Grazie a tutto ciò, l'azienda fornisce al mercato prodotti avanzati e di alta qualità ad un prezzo accessibile.
Hai bisogno di un microscopio? Levenhuk offrirà l'opzione richiesta. La gamma di apparecchiature ottiche dell'azienda comprende dispositivi digitali e biologici per l'ingrandimento dell'oggetto studiato. Inoltre, all'acquirente vengono offerti modelli firmati in una varietà di colori.
Il microscopio Levenhuk ha funzionalità estese. Ad esempio, un dispositivo didattico entry-level può essere collegato a un computer ed è anche in grado di registrare video della ricerca svolta. Il modello Levenhuk D2L è dotato di questa funzionalità.
L'azienda offre microscopi biologici di vari livelli. Questi includono modelli più semplici e nuovi articoli adatti ai professionisti.
Probabilmente, ognuno di noi, almeno una volta nella vita, ha avuto l'opportunità di lavorare con un dispositivo come un microscopio: alcuni a scuola durante una lezione di biologia e altri, forse, a causa della propria professione. Con l'aiuto di un microscopio possiamo osservare gli organismi viventi più piccoli, le particelle. Il microscopio è uno strumento piuttosto complesso e inoltre ha una lunga storia che sarà utile conoscere. Scopriamo cos'è un microscopio?
Definizione
La parola "microscopio" deriva da due parole greche "micros" - "piccolo", "skopeo" - "guarda". Cioè, lo scopo di questo dispositivo è esaminare piccoli oggetti. Per dare una definizione più precisa, il microscopio è un dispositivo ottico (con una o più lenti) utilizzato per ottenere immagini ingrandite di determinati oggetti non visibili ad occhio nudo.
Ad esempio, i microscopi utilizzati nelle scuole di oggi sono in grado di ingrandire 300-600 volte, questo è abbastanza per vedere una cellula vivente in dettaglio: puoi vedere le pareti della cellula stessa, i vacuoli, il suo nucleo, ecc. Ma nonostante tutto questo, ha attraversato un lungo percorso di scoperte e persino di delusioni.
Storia della scoperta del microscopio
L'ora esatta della scoperta del microscopio non è stata ancora stabilita, poiché i primissimi dispositivi per osservare piccoli oggetti furono trovati dagli archeologi in epoche diverse. Sembravano una normale lente d'ingrandimento, cioè era una lente biconvessa che ingrandiva l'immagine più volte. Vorrei chiarire che i primissimi obiettivi non erano realizzati in vetro, ma in una sorta di pietra trasparente, quindi non è necessario parlare della qualità delle immagini.
Successivamente furono inventati i microscopi costituiti da due lenti. La prima lente è l'obiettivo, si rivolgeva all'oggetto studiato, e la seconda lente è l'oculare in cui guardava l'osservatore. Ma l'immagine degli oggetti era ancora fortemente distorta, a causa di forti deviazioni sferiche e cromatiche: la luce veniva rifratta in modo non uniforme e per questo motivo l'immagine risultava poco chiara e colorata. Tuttavia, anche allora l'ingrandimento del microscopio era di diverse centinaia di volte, il che è parecchio.
Solo all'inizio del XIX secolo, grazie al lavoro di fisici come Amici, Fraunhofer e altri, il sistema di lenti dei microscopi fu notevolmente complicato.La progettazione delle lenti utilizzava già un sistema complesso costituito da lenti collettrici e divergenti. Inoltre, queste lenti erano realizzate con diversi tipi di vetro, compensando reciprocamente i difetti.
Il microscopio di uno scienziato olandese, Leeuwenhoek, aveva già un piano dove venivano posizionati tutti gli oggetti studiati, e c'era anche una vite che permetteva di spostare questo tavolo senza problemi. Quindi è stato aggiunto uno specchio, per una migliore illuminazione degli oggetti.
Struttura del microscopio
Esistono microscopi semplici e complessi. Un microscopio semplice è costituito da un sistema di lenti singole, proprio come una normale lente d'ingrandimento. Un microscopio complesso combina due lenti semplici.
Un microscopio complesso, quindi, fornisce un ingrandimento maggiore e, inoltre, ha una risoluzione maggiore. È la presenza di questa capacità (risoluzione) che rende possibile distinguere i dettagli dei campioni. Un'immagine ingrandita, dove non si distinguono i dettagli, ci fornirà alcune informazioni utili.
I microscopi complessi hanno circuiti a due stadi. Un sistema di lenti (obiettivo) viene avvicinato all'oggetto e, a sua volta, crea un'immagine risolta e ingrandita dell'oggetto. Successivamente l’immagine viene già ingrandita da un altro sistema di lenti (oculare), posizionato direttamente più vicino all’occhio dell’osservatore. Questi 2 sistemi di lenti si trovano alle estremità opposte del tubo del microscopio.
Microscopi moderni
I microscopi moderni possono fornire un ingrandimento enorme, fino a 1500-2000 volte, mentre la qualità dell'immagine sarà eccellente. Anche i microscopi binoculari sono molto popolari: in essi l'immagine di una lente è biforcata e puoi guardarla con due occhi contemporaneamente (in due oculari). Ciò consente di distinguere molto meglio i dettagli visivamente piccoli. Tali microscopi vengono solitamente utilizzati in vari laboratori (compresi quelli medici) per la ricerca.
Microscopi elettronici
I microscopi elettronici ci aiutano a “esaminare” le immagini dei singoli atomi. È vero, la parola "considerare" qui è usata in modo relativo, poiché non guardiamo direttamente con i nostri occhi: l'immagine di un oggetto appare come risultato dell'elaborazione più complessa dei dati ricevuti da un computer. La progettazione di un microscopio (elettronico) si basa su principi fisici, nonché su un metodo per "sentire" le superfici degli oggetti con un ago molto sottile, la cui punta ha uno spessore di solo 1 atomo.
Microscopi USB
Attualmente, con lo sviluppo della tecnologia digitale, chiunque può acquistare un obiettivo per la fotocamera del proprio cellulare e scattare fotografie di qualsiasi oggetto microscopico. Esistono anche microscopi USB molto potenti che, collegati al computer di casa, consentono di visualizzare l'immagine risultante sul monitor. La maggior parte delle fotocamere digitali è in grado di scattare foto in modalità macro, con l'aiuto della quale è possibile scattare foto degli oggetti più piccoli. E se posizioni una piccola lente convergente davanti all'obiettivo della fotocamera, puoi facilmente ingrandire una foto fino a 500x.
Oggi le nuove tecnologie ci aiutano a vedere ciò che era inaccessibile letteralmente cento anni fa. Le parti del microscopio sono state costantemente migliorate nel corso della sua storia e attualmente vediamo il microscopio nella sua forma finita. Tuttavia, il progresso scientifico non si ferma e nel prossimo futuro potrebbero apparire modelli di microscopi ancora più avanzati.
L'articolo parla di cos'è un microscopio, a cosa serve, quali tipi esistono e la storia della sua creazione.
Tempi antichi
Nella storia dell'umanità c'è sempre stato chi non si accontentava della descrizione biblica della struttura del mondo, che voleva comprendere da solo la natura delle cose e la loro essenza. O chi non è stato sedotto dal destino di un normale contadino o pescatore, come lo stesso Lomonosov.
Varie discipline divennero più diffuse durante il Rinascimento, quando le persone iniziarono a rendersi conto dell'importanza di studiare il mondo che li circonda e altre cose. Vari dispositivi ottici, come telescopi e microscopi, li hanno particolarmente aiutati in questo. Allora cos'è un microscopio? Chi lo ha creato e dove viene utilizzato questo dispositivo ai nostri tempi?
Definizione
Innanzitutto, diamo un'occhiata alla definizione ufficiale stessa. Secondo lui, un microscopio è un dispositivo per ottenere immagini ingrandite o la loro struttura. Si differenzia dallo stesso telescopio in quanto è necessario per studiare oggetti piccoli e vicini e non distanze cosmiche distanti. Non si conosce con certezza il nome dell'autore di questa invenzione, ma la storia contiene riferimenti a diverse persone che furono le prime ad utilizzarla e progettarla. Secondo loro, nel 1590, un certo olandese di nome John Lippershey presentò la sua invenzione al grande pubblico. La sua paternità è attribuita anche a Zachary Jansen. E nel 1624 anche il noto Galileo Galilei progettò un dispositivo simile.
Abbiamo capito cos'è un microscopio, ma in che modo ha influenzato la scienza? Quasi uguale al suo “parente” telescopio. Sebbene primitivo, questo dispositivo permetteva di superare le imperfezioni dell'occhio umano e di guardare nel micromondo. Con il suo aiuto, furono successivamente fatte molte scoperte nei campi della biologia, dell'entomologia, della botanica e di altre scienze.
Cos'è un microscopio ora è chiaro, ma dove altro vengono utilizzati?
La scienza
Biologia, fisica, chimica: tutte queste aree della scienza a volte richiedono uno sguardo all'essenza stessa delle cose che i nostri occhi o una semplice lente d'ingrandimento non possono vedere. È difficile immaginare la medicina moderna senza questi dispositivi: con il loro aiuto si fanno scoperte, si determinano tipi di malattie e infezioni e recentemente è stato persino possibile “fotografare” una catena di DNA umano.
In fisica tutto è un po' diverso, soprattutto in quelle aree che lavorano sullo studio delle particelle elementari e di altri piccoli oggetti. Lì il microscopio da laboratorio è un po 'diverso dai soliti, e i soliti aiutano poco, sono stati da tempo sostituiti da quelli elettronici e dalle più recenti sonde. Questi ultimi permettono non solo di ottenere un ingrandimento impressionante, ma anche di registrare singoli atomi e molecole.
Ciò include anche la scienza forense, che ha bisogno di questi dispositivi per identificare prove, effettuare confronti dettagliati delle impronte digitali e così via.
Anche i ricercatori del mondo antico, come paleontologi e archeologi, non possono fare a meno dei microscopi. Ne hanno bisogno per uno studio dettagliato dei resti di piante, ossa di animali e persone e prodotti artificiali di epoche passate. E a proposito, un potente microscopio da laboratorio può essere acquistato gratuitamente per uso personale. È vero, non tutti possono permetterseli. Diamo un'occhiata più in dettaglio alle tipologie di questi dispositivi.
Tipi
La prima, principale e più antica è la luce ottica. Dispositivi simili sono ancora disponibili in qualsiasi lezione di biologia scolastica. È composto da un set di lenti con distanza regolabile e uno specchio per illuminare l'oggetto. A volte viene sostituito da una fonte di luce indipendente. L'essenza di un tale microscopio è modificare la lunghezza d'onda dello spettro ottico visibile.
Il secondo è elettronico. È molto più complicato. In termini semplici, la lunghezza d'onda della luce visibile è compresa tra 390 e 750 nm. E se l'oggetto, ad esempio, è una cellula più piccola di un virus o di un altro organismo vivente, la luce si piegherà semplicemente attorno ad essa e non sarà in grado di riflettersi normalmente. E un dispositivo del genere supera tali limitazioni: utilizzando un campo magnetico, rende le onde luminose “più sottili”, motivo per cui è possibile vedere gli oggetti più piccoli. Ciò è particolarmente vero in una scienza come la biologia. Questo tipo di microscopio è molto superiore ai microscopi ottici.
E il terzo è il tipo esplorativo. In parole povere, si tratta di un dispositivo in cui la superficie di un particolare campione viene “sondata” da una sonda e, in base ai suoi movimenti e vibrazioni, viene compilata un'immagine tridimensionale o raster.
microscopio -
uno strumento ottico con una o più lenti per produrre immagini ingrandite di oggetti non visibili a occhio nudo. I microscopi possono essere semplici o complessi. Un microscopio semplice è un sistema a lente singola. Un semplice microscopio può essere considerato una normale lente d'ingrandimento: una lente piano-convessa. Un microscopio composto (spesso chiamato semplicemente microscopio) è una combinazione di due semplici.
Un microscopio composto fornisce un ingrandimento maggiore di uno semplice e ha una risoluzione maggiore. La risoluzione è la capacità di distinguere i dettagli di un campione. Un'immagine ingrandita senza dettagli visibili fornisce poche informazioni utili.
Un microscopio complesso ha un design a due stadi. Un sistema di lenti, chiamato obiettivo, viene avvicinato al campione; crea un'immagine ingrandita e risolta dell'oggetto. L'immagine viene ulteriormente ingrandita da un altro sistema di lenti chiamato oculare, posizionato più vicino all'occhio dello spettatore. Questi due sistemi di lenti si trovano alle estremità opposte del tubo.
Lavorare con un microscopio. L'illustrazione mostra un tipico microscopio biologico. Il supporto per treppiede è realizzato sotto forma di fusione pesante, solitamente a forma di ferro di cavallo. Ad esso è fissato su una cerniera un portatubo che sostiene tutte le altre parti del microscopio. Il tubo in cui sono montati i sistemi di lenti consente loro di essere spostati rispetto al campione per la messa a fuoco. La lente si trova all'estremità inferiore del tubo. Tipicamente, un microscopio è dotato di diversi obiettivi di diverso ingrandimento su una torretta, che consente loro di essere installati in una posizione di lavoro sull'asse ottico. L'operatore, quando esamina un campione, solitamente inizia con la lente che ha l'ingrandimento più basso e il campo visivo più ampio, trova i dettagli che lo interessano e poi li esamina utilizzando una lente con un ingrandimento maggiore. L'oculare è montato all'estremità di un supporto retrattile (che consente di modificare la lunghezza del tubo quando necessario). L'intero tubo con obiettivo e oculare può essere spostato su e giù per mettere a fuoco il microscopio.
Il campione viene solitamente prelevato come uno strato o una sezione trasparente molto sottile; è posizionato su una lastra di vetro rettangolare, chiamata vetrino, e coperto superiormente con una lastra di vetro più sottile e più piccola, chiamata coprioggetto. Il campione viene spesso colorato con sostanze chimiche per aumentare il contrasto. Il vetrino viene posizionato sul tavolino in modo che il campione si trovi sopra il foro centrale del tavolino. Il tavolino è solitamente dotato di un meccanismo per spostare il campione in modo fluido e preciso attraverso il campo visivo.
Sotto il tavolino portaoggetti si trova il supporto per il terzo sistema di lenti, un condensatore, che concentra la luce sul campione. Possono esserci diversi condensatori e qui si trova un diaframma a iride per regolare l'apertura.
Ancora più in basso si trova uno specchio luminoso installato in un giunto cardanico, che riflette la luce della lampada sul campione, grazie al quale l'intero sistema ottico del microscopio crea un'immagine visibile. L'oculare può essere sostituito con un attacco fotografico e quindi l'immagine verrà formata sulla pellicola fotografica. Molti microscopi da ricerca sono dotati di un illuminatore speciale, per cui non è necessario uno specchio illuminato.
Aumento. L'ingrandimento di un microscopio è uguale al prodotto dell'ingrandimento dell'obiettivo e dell'ingrandimento dell'oculare. Per un tipico microscopio da ricerca, l'ingrandimento dell'oculare è 10 e l'ingrandimento degli obiettivi è 10, 45 e 100. Pertanto, l'ingrandimento di un tale microscopio varia da 100 a 1000. L'ingrandimento di alcuni microscopi raggiunge 2000. l'ingrandimento ancora maggiore non ha senso, poiché la risoluzione allo stesso tempo non migliora; al contrario, la qualità dell'immagine peggiora.
Teoria. Una teoria coerente del microscopio fu formulata dal fisico tedesco Ernst Abbe alla fine del XIX secolo. Abbe ha scoperto che la risoluzione (la distanza minima possibile tra due punti visibili separatamente) è data da
dove R è la risoluzione in micrometri (10-6 m), . - lunghezza d'onda della luce (creata dall'illuminatore), μm, n - indice di rifrazione del mezzo tra il campione e la lente, a. - metà dell'angolo di ingresso della lente (l'angolo tra i raggi esterni del fascio di luce conico che entra nella lente). Abbe chiamò la quantità apertura numerica (è indicata con il simbolo NA). Dalla formula sopra è chiaro che maggiore è la NA e più corta è la lunghezza d'onda, minori saranno i dettagli risolti dell'oggetto in studio.
L'apertura numerica non determina solo la risoluzione del sistema, ma caratterizza anche l'apertura dell'obiettivo: l'intensità luminosa per unità di area dell'immagine è approssimativamente uguale al quadrato di NA. Per un buon obiettivo, il valore NA è di circa 0,95. Il microscopio è solitamente progettato in modo che il suo ingrandimento totale sia di ca. 1000 N.A.
Lenti a contatto. Esistono tre tipi principali di obiettivi, che differiscono nel grado di correzione delle distorsioni ottiche: aberrazioni cromatiche e sferiche. L'aberrazione cromatica si verifica quando onde luminose di diverse lunghezze d'onda vengono focalizzate in punti diversi sull'asse ottico. Di conseguenza, l'immagine appare colorata. Le aberrazioni sferiche sono causate dal fatto che la luce che passa attraverso il centro della lente e la luce che passa attraverso la sua parte periferica sono focalizzate in punti diversi sull'asse. Di conseguenza, l'immagine appare poco chiara.
Le lenti acromatiche sono attualmente le più comuni. In essi, le aberrazioni cromatiche vengono soppresse attraverso l'uso di elementi in vetro con diversa dispersione, garantendo la convergenza dei raggi estremi dello spettro visibile - blu e rosso - in un unico fuoco. Rimane una leggera colorazione dell'immagine e talvolta appare come deboli strisce verdi attorno all'oggetto. L'aberrazione sferica può essere corretta solo per un colore.
Le lenti alla fluorite utilizzano additivi di vetro per migliorare la correzione del colore al punto che la colorazione viene quasi completamente eliminata dall'immagine.
Le lenti apocromatiche sono le lenti con la correzione del colore più complessa. Non solo eliminano quasi completamente le aberrazioni cromatiche, ma correggono anche le aberrazioni sferiche non per uno, ma per due colori. L'ingrandimento degli apocromatici per il blu è leggermente maggiore che per il rosso, e quindi richiedono speciali oculari “compensatori”.
La maggior parte delle lenti sono "asciutte", cioè sono progettati per funzionare in condizioni in cui lo spazio tra la lente e il campione è pieno d'aria; il valore NA per tali lenti non supera 0,95. Se si introduce un liquido (olio o, più raramente, acqua) tra l'obiettivo e il campione, si ottiene un obiettivo “ad immersione” con un valore di NA fino a 1,4 e un corrispondente miglioramento della risoluzione.
Attualmente l'industria produce vari tipi di lenti speciali. Questi includono lenti a campo piatto per microfotografia, lenti senza stress (rilassate) per lavorare in luce polarizzata e lenti per esaminare campioni metallurgici opachi illuminati dall'alto.
Condensatori. Il condensatore forma un cono di luce diretto sul campione. Tipicamente, un microscopio è dotato di un diaframma a iride per far corrispondere l'apertura del cono di luce con l'apertura dell'obiettivo, fornendo così la massima risoluzione e il massimo contrasto dell'immagine. (Il contrasto è importante nella microscopia quanto lo è nella tecnologia televisiva.) Il condensatore più semplice, abbastanza adatto per la maggior parte dei microscopi generici, è il condensatore di Abbe a due lenti. Gli obiettivi con apertura maggiore, in particolare gli obiettivi a immersione in olio, richiedono condensatori corretti più complessi. Gli obiettivi ad olio con apertura massima richiedono un condensatore speciale che abbia un contatto di immersione in olio con la superficie inferiore del vetrino su cui poggia il campione.
Microscopi specializzati. A causa delle diverse esigenze della scienza e della tecnologia, sono stati sviluppati molti tipi speciali di microscopi.
Un microscopio binoculare stereoscopico, progettato per ottenere un'immagine tridimensionale di un oggetto, è costituito da due sistemi microscopici separati. Il dispositivo è progettato per piccoli ingrandimenti (fino a 100). Tipicamente utilizzato per l'assemblaggio di componenti elettronici miniaturizzati, ispezioni tecniche, operazioni chirurgiche.
Un microscopio polarizzatore è progettato per studiare l'interazione dei campioni con la luce polarizzata. La luce polarizzata spesso rende possibile rivelare la struttura degli oggetti che va oltre i limiti della risoluzione ottica convenzionale.
Un microscopio riflettente è dotato di specchi anziché di lenti che formano un'immagine. Poiché è difficile realizzare una lente a specchio, esistono pochissimi microscopi completamente riflettenti e attualmente gli specchi vengono utilizzati principalmente solo negli attacchi, ad esempio per la microchirurgia di singole cellule.
Microscopio fluorescente: illumina il campione con luce ultravioletta o blu. Il campione, assorbendo questa radiazione, emette luce visibile a luminescenza. Microscopi di questo tipo sono utilizzati in biologia, così come in medicina, per la diagnostica (in particolare il cancro).
Il microscopio a campo oscuro aggira le difficoltà legate al fatto che i materiali viventi sono trasparenti. Il campione viene osservato con un'illuminazione “obliqua” tale che la luce diretta non può entrare nella lente. L'immagine è formata dalla luce diffratta da un oggetto, facendo apparire l'oggetto molto chiaro su uno sfondo scuro (con contrasto molto elevato).
Un microscopio a contrasto di fase viene utilizzato per esaminare oggetti trasparenti, in particolare cellule viventi. Grazie a speciali dispositivi, parte della luce che passa attraverso il microscopio risulta essere sfasata di metà della lunghezza d'onda rispetto all'altra parte, il che determina il contrasto nell'immagine.
Il microscopio ad interferenza è un ulteriore sviluppo del microscopio a contrasto di fase. Si tratta di un'interferenza tra due fasci luminosi, uno dei quali attraversa il campione e l'altro viene riflesso. Questo metodo produce immagini colorate che forniscono informazioni molto preziose quando si studia la materia vivente. Vedi anche MICROSCOPIO ELETTRONICO; STRUMENTI OTTICI; OTTICA.
Microscopio
uno strumento ottico con una o più lenti per produrre immagini ingrandite di oggetti non visibili a occhio nudo. I microscopi possono essere semplici o complessi. Un microscopio semplice è un sistema a lente singola. Un semplice microscopio può essere considerato una normale lente d'ingrandimento: una lente piano-convessa. Un microscopio composto (spesso chiamato semplicemente microscopio) è una combinazione di due semplici. Un microscopio composto fornisce un ingrandimento maggiore di uno semplice e ha una risoluzione maggiore. La risoluzione è la capacità di distinguere i dettagli di un campione. Un'immagine ingrandita senza dettagli visibili fornisce poche informazioni utili. Un microscopio complesso ha un design a due stadi. Un sistema di lenti, chiamato obiettivo, viene avvicinato al campione; crea un'immagine ingrandita e risolta dell'oggetto. L'immagine viene ulteriormente ingrandita da un altro sistema di lenti chiamato oculare, posizionato più vicino all'occhio dello spettatore. Questi due sistemi di lenti si trovano alle estremità opposte del tubo. Lavorare con un microscopio. L'illustrazione mostra un tipico microscopio biologico. Il supporto per treppiede è realizzato sotto forma di fusione pesante, solitamente a forma di ferro di cavallo. Ad esso è fissato su una cerniera un portatubo che sostiene tutte le altre parti del microscopio. Il tubo in cui sono montati i sistemi di lenti consente loro di essere spostati rispetto al campione per la messa a fuoco. La lente si trova all'estremità inferiore del tubo. Tipicamente, un microscopio è dotato di diversi obiettivi di diverso ingrandimento su una torretta, che consente loro di essere installati in una posizione di lavoro sull'asse ottico. L'operatore, quando esamina un campione, solitamente inizia con la lente che ha l'ingrandimento più basso e il campo visivo più ampio, trova i dettagli che lo interessano e poi li esamina utilizzando una lente con un ingrandimento maggiore. L'oculare è montato all'estremità di un supporto retrattile (che consente di modificare la lunghezza del tubo quando necessario). L'intero tubo con obiettivo e oculare può essere spostato su e giù per mettere a fuoco il microscopio. Il campione viene solitamente prelevato come uno strato o una sezione trasparente molto sottile; è posizionato su una lastra di vetro rettangolare, chiamata vetrino, e coperto superiormente con una lastra di vetro più sottile e più piccola, chiamata coprioggetto. Il campione viene spesso colorato con sostanze chimiche per aumentare il contrasto. Il vetrino viene posizionato sul tavolino in modo che il campione si trovi sopra il foro centrale del tavolino. Il tavolino è solitamente dotato di un meccanismo per spostare il campione in modo fluido e preciso attraverso il campo visivo. Sotto il tavolino portaoggetti si trova il supporto per il terzo sistema di lenti, un condensatore, che concentra la luce sul campione. Possono esserci diversi condensatori e qui si trova un diaframma a iride per regolare l'apertura. Ancora più in basso si trova uno specchio luminoso installato in un giunto cardanico, che riflette la luce della lampada sul campione, grazie al quale l'intero sistema ottico del microscopio crea un'immagine visibile. L'oculare può essere sostituito con un attacco fotografico e quindi l'immagine verrà formata sulla pellicola fotografica. Molti microscopi da ricerca sono dotati di un illuminatore speciale, per cui non è necessario uno specchio illuminato. Aumento. L'ingrandimento di un microscopio è uguale al prodotto dell'ingrandimento dell'obiettivo e dell'ingrandimento dell'oculare. Per un tipico microscopio da ricerca, l'ingrandimento dell'oculare è 10 e l'ingrandimento degli obiettivi è 10, 45 e 100. Pertanto, l'ingrandimento di un tale microscopio varia da 100 a 1000. L'ingrandimento di alcuni microscopi raggiunge 2000. l'ingrandimento ancora maggiore non ha senso, poiché la risoluzione allo stesso tempo non migliora; al contrario, la qualità dell'immagine peggiora. Teoria. Una teoria coerente del microscopio fu formulata dal fisico tedesco Ernst Abbe alla fine del XIX secolo. Abbe ha scoperto che la risoluzione (la distanza minima possibile tra due punti visibili separatamente) è data da dove R è la risoluzione in micrometri (10-6 m), . - lunghezza d'onda della luce (creata dall'illuminatore), μm, n - indice di rifrazione del mezzo tra il campione e la lente, a. - metà dell'angolo di ingresso della lente (l'angolo tra i raggi esterni del fascio di luce conico che entra nella lente). Abbe chiamò la quantità apertura numerica (è indicata con il simbolo NA). Dalla formula sopra è chiaro che maggiore è la NA e più corta è la lunghezza d'onda, minori saranno i dettagli risolti dell'oggetto in studio. L'apertura numerica non determina solo la risoluzione del sistema, ma caratterizza anche l'apertura dell'obiettivo: l'intensità luminosa per unità di area dell'immagine è approssimativamente uguale al quadrato di NA. Per un buon obiettivo, il valore NA è di circa 0,95. Il microscopio è solitamente progettato in modo che il suo ingrandimento totale sia di ca. 1000 N.A. Lenti a contatto. Esistono tre tipi principali di obiettivi, che differiscono nel grado di correzione delle distorsioni ottiche: aberrazioni cromatiche e sferiche. L'aberrazione cromatica si verifica quando onde luminose di diverse lunghezze d'onda vengono focalizzate in punti diversi sull'asse ottico. Di conseguenza, l'immagine appare colorata. Le aberrazioni sferiche sono causate dal fatto che la luce che passa attraverso il centro della lente e la luce che passa attraverso la sua parte periferica sono focalizzate in punti diversi sull'asse. Di conseguenza, l'immagine appare poco chiara. Le lenti acromatiche sono attualmente le più comuni. In essi, le aberrazioni cromatiche vengono soppresse attraverso l'uso di elementi in vetro con diversa dispersione, garantendo la convergenza dei raggi estremi dello spettro visibile - blu e rosso - in un unico fuoco. Rimane una leggera colorazione dell'immagine e talvolta appare come deboli strisce verdi attorno all'oggetto. L'aberrazione sferica può essere corretta solo per un colore. Le lenti alla fluorite utilizzano additivi di vetro per migliorare la correzione del colore al punto che la colorazione viene quasi completamente eliminata dall'immagine. Le lenti apocromatiche sono le lenti con la correzione del colore più complessa. Non solo eliminano quasi completamente le aberrazioni cromatiche, ma correggono anche le aberrazioni sferiche non per uno, ma per due colori. L'ingrandimento degli apocromatici per il blu è leggermente maggiore che per il rosso, e quindi richiedono speciali oculari “compensatori”. La maggior parte delle lenti sono "asciutte", cioè sono progettati per funzionare in condizioni in cui lo spazio tra la lente e il campione è pieno d'aria; il valore NA per tali lenti non supera 0,95. Se si introduce un liquido (olio o, più raramente, acqua) tra l'obiettivo e il campione, si ottiene un obiettivo “ad immersione” con un valore di NA fino a 1,4 e un corrispondente miglioramento della risoluzione. Attualmente l'industria produce vari tipi di lenti speciali. Questi includono lenti a campo piatto per microfotografia, lenti senza stress (rilassate) per lavorare in luce polarizzata e lenti per esaminare campioni metallurgici opachi illuminati dall'alto. Condensatori. Il condensatore forma un cono di luce diretto sul campione. Tipicamente, un microscopio è dotato di un diaframma a iride per far corrispondere l'apertura del cono di luce con l'apertura dell'obiettivo, fornendo così la massima risoluzione e il massimo contrasto dell'immagine. (Il contrasto è importante nella microscopia quanto lo è nella tecnologia televisiva.) Il condensatore più semplice, abbastanza adatto per la maggior parte dei microscopi generici, è il condensatore di Abbe a due lenti. Gli obiettivi con apertura maggiore, in particolare gli obiettivi a immersione in olio, richiedono condensatori corretti più complessi. Gli obiettivi ad olio con apertura massima richiedono un condensatore speciale che abbia un contatto di immersione in olio con la superficie inferiore del vetrino su cui poggia il campione. Microscopi specializzati. A causa delle diverse esigenze della scienza e della tecnologia, sono stati sviluppati molti tipi speciali di microscopi. Un microscopio binoculare stereoscopico, progettato per ottenere un'immagine tridimensionale di un oggetto, è costituito da due sistemi microscopici separati. Il dispositivo è progettato per piccoli ingrandimenti (fino a 100). Tipicamente utilizzato per l'assemblaggio di componenti elettronici miniaturizzati, ispezioni tecniche, operazioni chirurgiche. Un microscopio polarizzatore è progettato per studiare l'interazione dei campioni con la luce polarizzata. La luce polarizzata spesso rende possibile rivelare la struttura degli oggetti che va oltre i limiti della risoluzione ottica convenzionale. Un microscopio riflettente è dotato di specchi anziché di lenti che formano un'immagine. Poiché è difficile realizzare una lente a specchio, esistono pochissimi microscopi completamente riflettenti e attualmente gli specchi vengono utilizzati principalmente solo negli attacchi, ad esempio per la microchirurgia di singole cellule. Microscopio fluorescente: illumina il campione con luce ultravioletta o blu. Il campione, assorbendo questa radiazione, emette luce visibile a luminescenza. Microscopi di questo tipo sono utilizzati in biologia, così come in medicina, per la diagnostica (in particolare il cancro). Il microscopio a campo oscuro aggira le difficoltà legate al fatto che i materiali viventi sono trasparenti. Il campione viene osservato con un'illuminazione “obliqua” tale che la luce diretta non può entrare nella lente. L'immagine è formata dalla luce diffratta da un oggetto, facendo apparire l'oggetto molto chiaro su uno sfondo scuro (con contrasto molto elevato). Un microscopio a contrasto di fase viene utilizzato per esaminare oggetti trasparenti, in particolare cellule viventi. Grazie a speciali dispositivi, parte della luce che passa attraverso il microscopio risulta essere sfasata di metà della lunghezza d'onda rispetto all'altra parte, il che determina il contrasto nell'immagine. Il microscopio ad interferenza è un ulteriore sviluppo del microscopio a contrasto di fase. Si tratta di un'interferenza tra due fasci luminosi, uno dei quali attraversa il campione e l'altro viene riflesso. Questo metodo produce immagini colorate che forniscono informazioni molto preziose quando si studia la materia vivente. Vedi anche MICROSCOPIO ELETTRONICO; STRUMENTI OTTICI; OTTICA.
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