ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА

Оптический микроскоп – это прибор для получения увеличенных изображений малых объектов. Человеческий глаз при нормальной остроте зрения на расстоянии наилучшего видения может различить мелкую структуру объекта, если соседние элементы структуры находятся на расстоянии порядка 0,05 мм или больше. [11, с. 51] Размеры форменных элементов крови, бактерий, других клеток значительно меньше этой величины, что приводит к необходимости использования увеличительных систем – например, микроскопа при проведении исследований микрообъектов. Микроскоп позволяет изучать структуру объекта при расстоянии между её элементами до 0,00025 мм. [5, с. 44] Заметим, что расстояние наилучшего видения – это такое расстояние между глазом и предметом исследования, при котором мышцы, меняющие кривизну хрусталика, испытывают наименьшее напряжение (для нормального глаза около 250 мм).

Рассмотрим основные типы приборов современной микроскопии. Прежде всего отметим, что увеличенное изображение объекта может быть получено с помощью электромагнитных волн оптического диапазона (оптические микроскопы), ультрафиолетовых волн (ультрафиолетовые микроскопы), потоков высокоскоростных электронов в вакууме (электронные микроскопы). [9, с. 148] Наибольшее распространение получили оптические микроскопы. Среди оптических микроскопов можно выделить ряд модификаций:

1. Биологический микроскоп – наиболее распространённый микроскоп для цитологических, микробиологических, гистологических, гематологических и других исследований. Применяется для исследования объектов в проходящем и отражённом свете (как поляризованном, так и неполяризованном). [6, с. 41]

2. Измерительный микроскоп – прибор, приспособленный для измерения размеров микроскопических объектов. Существуют микроскопы, у которых измерения производятся только в одном направлении, у других в двух или трёх направлениях соответственно трем осям прямоугольной системы координат.  [3, с. 102-104]

3. Поляризационный микроскоп служит для изучения анизотропных объектов. Заметим, что вещество называется анизотропным, если его свойства, характеристики (механические, оптические, электрические и др.) различны в различных направлениях пространства. В случае оптической анизотропии оптические характеристики вещества (например, скорость распространения света, а, следовательно, абсолютный показатель преломления среды) зависят от направления распространения света в веществе. Мышечная, костная, нервная и другие биологические ткани обладают оптической анизотропией, поэтому их свойства можно исследовать с помощью поляризационного микроскопа [12, с. 4]

4. Фазово-контрастный микроскоп служит для наблюдения объектов, слабо поглощающих свет. Изображение таких объектов малоконтрастное, трудно различимое. Фазово-контрастный метод основан на том, что световые волны при прохождении через объекты с разной оптической плотностью (показателем преломления света вещества) и участки объекта различной толщины по-разному изменяют фазы своих колебаний. [1, с. 34] Эти фазовые изменения, не воспринимаемые глазом, преобразуются с помощью специального оптического устройства в изменение амплитуд, что приводит к ослаблению или усилению интенсивности прошедшего через объект света и, соответственно, к повышению контрастности изображения.

5. Интерференционный микроскоп позволяет наблюдать неконтрастные биологические объекты. Принцип действия такого микроскопа состоит в том, что каждый луч, входящий в микроскоп, раздваивается, причем лишь один из них проходит через исследуемый препарат. В окулярной части микроскопа лучи соединяются и интерферируют (накладываются друг на друга) между собой. В зависимости от оптической разности хода этих двух лучей изображения практически прозрачных (бесцветных) объектов получаются контрастными, относительно легко различимыми и даже цветными. На основании измерения разности хода могут быть рассчитаны вес сухого вещества в микрообъекте, показатель преломления и толщина объекта. Комбинированный метод с помощью ультрафиолетового и интерференционного микроскопов позволяет определить содержание нуклеиновых кислот в биологическом микрообъекте. [13, с. 8], зная основы физики и биофизики. [13, с. 594]

6. Люминесцентный микроскоп предназначен для наблюдения микрообъектов, которые при некоторых условиях способны люминесцировать, то есть излучать свет. Этот метод широко применяется в микробиологии, вирусологии, в пищевой промышленности и пр. [4, с. 248-249]

7. Микроскоп проекционный – прибор для проектирования на экран изображений микроскопических препаратов. [2, с. 37]

Обратимся к основным понятиям геометрической оптики. Известно, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Одно из основных понятий геометрической оптики – луч света – представляет собой линию, вдоль которой переносится световая энергия. Луч можно представить в виде бесконечно тонкого пучка света. Зададимся вопросом: каковы особенности прохождения светового луча через оптическую линзу? Для этого важно знать физику. [10, с. 56]

Линзами называют прозрачные тела, ограниченные с двух сторон сферическими (одна из сторон может быть и плоской) поверхностями и имеющие показатель преломления, отличный от показателя преломления окружающей среды. Такие линзы называются сферическими, существуют линзы и других типов. По характеру действия сферические линзы можно разделить на две группы:

1) собирающие линзы – центральная часть линзы толще, чем на периферии;

2) рассеивающие линзы – центральная часть уже, чем на периферии.

Далее рассмотрим устройство оптического микроскопа.  

Микроскоп состоит из оптической, механической и осветительной частей.

Оптическая часть микроскопа оформлена в виде тубуса – металлической трубки (зрительная трубка), в которой размещается система линз для получения увеличенного изображения объекта. [8, с. 74]

Механическая часть микроскопа позволяет с помощью двух винтов грубой и тонкой настройки (фокусировки) микроскопа изменять расстояние между рассматриваемым объектом и тубусом. Кроме того, в механической части микроскопа имеется предметный столик для размещения исследуемого объекта. Осветительная часть микроскопа включает в себя зеркало и конденсор (систему линз, собирающую лучи от источника для освещения объекта), расположенные под предметным столиком.

Оптическая система микроскопа состоит из двух частей – объектива (Об) и окуляра (Ок). Объектив и окуляр в простейших микроскопах представляют собой одиночные собирающие линзы, которые закреплены на концах зрительной трубки. В современных микроскопах объективы и окуляры являются сложными оптическими системами, они состоят из совокупности линз. Это позволяет избежать ряда искажений, которые дают оптические линзы. [14, с. 270] С помощью оптической системы получается увеличенное изображение объекта.

Основными характеристиками микроскопа являются разрешающая способность, коэффициент увеличения, величина поля зрения. [7, с. 64]

На лабораторном занятии по физике определены характеристики оптического микроскопа. Ниже приведены результаты измерений и вычислений.

Расчет цены деления окулярного микрометра представлен в таблице:

Таблица 1.

Расчет цены деления окулярного микрометра

C (l = 0,05) = 0,05 / ΔN

Вычислим коэффициент увеличения микроскопа, зная коэффициент увеличения объектива и коэффициент увеличения окуляра, указанные на этих частях используемой модели микроскопа:

K = Kоб * Kок

Kоб = 8

Kок = 15

K = 120

Далее определим разрешающую способность микроскопа и наименьшее разрешаемое расстояние:

X = (0,61*l)/(n*sin a)

l = 5*10⁻⁷  м

Отметим, что величина А = n*sin a называется числовой апертурой, величина А указывается на микроскопе:

А = 0,2

Разрешающая способность микроскопа определяется по формуле R = 1 / Х.

При использовании камеры Горяева в качестве объективного микрометра величина поля зрения микроскопа рассчитывается на основании соотношения

P = M*0,2 + m*0,05 (мм)

M = 4

m = 7

Получаем диаметр поля зрения

P = 4*0,2 + 7*0,05 = 1,15 мм

Далее проведем определение размера личинки беззубки, зная цену деления окулярного микрометра (см. табл.):

N₁ = 2,31

N₂ = 5,14

(5,14 − 2,31)*0,0575 = 0,162 мм

Таким образом, изучение основ оптической микроскопии позволило экспериментально определить ряд характеристик модели микроскопа и размеры личинки. В дальнейшем предполагается освоить навыки работы с устройствами, предназначенными для зарисовки исследуемых препаратов – в частности, с рисовальным аппаратом.