Для того, чтобы ученые и специалисты из таких научно-технических областей знаний как медицина, зоология, биология и материаловедение могли лечить и учить людей, изучать вещество и раскрывать тайны его микроскопического устройства им был необходим соответствующий физический инструмент. Им и послужил микроскоп.
Заметим, что человеческий глаз представляет собой биологическую оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением. Под данным разрешением понимается наименьшее расстояние между элементами наблюдаемого человеком объекта, воспринимаемыми как точки или линии, при котором они ещё могут быть отличены один от другого.
Для нормального человеческого глаза при его удалении от объекта наблюдения на расстояние наилучшего видения (порядка 300 мм), на основании медицинских данных среднестатистическое нормальное разрешение составляет около 0,17 мм. Поэтому наш глаз способен в лучшем случае различать детали объектов, отстоящие друг от друга не менее, чем на 0,1 мм. Размеры же микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, деталей кристаллической микроструктуры металлов и сплавов и иных мелких предметов значительно меньше этой величины. Для наблюдения и изучения этих объектов были сделаны микроскопы различных типов.
С помощью микроскопов люди научились определять форму, размеры, внутреннее строение и многие другие характеристики микрообъектов. Изобретение очень важного для мировой науки прибора − микроскопа было обусловлено, прежде всего, успехами в развитии такого раздела физики как оптика.
Некоторые оптические свойства изогнутых и хорошо отполированных поверхностей были известны еще великим древнеегипетским ученым Евклиду Александрийскому (365-300 гг. до н. э.) и Клавдию Птолемею (127-151 гг. н. э.).
Однако, их увеличительная способность не нашла тогда своего практического применения. Поэтому первые очки, увеличивающие для человека рассматриваемое изображение (например, мелких ювелирных изделий, букв, ушка иголки и др.), были изобретены известным итальянским мастером Сальвинио Арлеати только в 1285 году.
Исследования. Объектом исследования являются общественные отношения, которые
... эффекта, целью договора участия в долевом строительстве возникновение права собственности у участников долевого строительства на объекты долевого строительства. СЗ РФ. 1994. № 32. Ст. 3301. Донских Е.Г. Долевое участие в строительстве - аспекты ... Н.А. Балашовой, А.В. Тюриной, В.Е. Фоминой, Е.Н. Горбуновой. Структура дипломной работы обусловлена обозначенными целями и задачами исследования и состоит ...
Увеличительные свойства наполненных водой стеклянных сосудов упоминались ещё древними римлянами (например, ученым-философом Сенекой).
Небольшие увеличительные стеклянные линзы в мире стали производиться с 1500-х годов. В 16-ом веке великий итальянский ученый-изобретатель и художник Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.) показал, что малые предметы лучше всего рассматривать и изучать с помощью простой стеклянной лупы. Кроме того, способность систем из двух стеклянных линз увеличивать изображение любых предметов была известна древним мастерам, изготовлявшим очки для людей. Считается, что термин «микроскоп» был впервые предложен римским оптиком И. Фабером в 1625 году. Но кто же изобрёл первый микроскоп?
Целью данной работы является ознакомление с историей развития микроскопии.
Задачи :
Найти информацию о хронологии развития увеличительных приборов. Изучить хронологию развития микроскопов. Провести сравнение и анализ, сделать вывод о границах этих приборов.
Объект исследования – микроскопия.
Предмет исследования – микроскоп.
ХРОНОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ УВЕЛИЧИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Принято считать, что в 1590 году нидерландские мастера очков Ханс Янсен и его сын Захариус Янсен изобрели первый микроскоп, состоящий из двух выпуклых линз, смонтированных в одном тубусе. В 1665 году знаменитый английский естествоиспытатель Роберт Гук (1635-1703 гг.) опубликовал свой научный труд «Микрография», в котором на основе использования микроскопа собственной конструкции, построенного с применением в одной трубе трех оптических линз, впервые в истории человечества описал устройство растительной клетки.
Прочитав эту книгу, голландский мастер оптики Антони ван Левенгук (1632-1723 гг.) проявил интерес к изучению жизни в окружающей человека природной фауне с помощью оптических линз, увеличивающих ее микроорганизмы.
Считается, что именно А. Левенгук первым стал использовать свои микроскопы, представляющие собой небольшие изделия с одной малой (величиной с крупную горошину) и очень сильной неахроматической двояковыпуклой линзой, для биологических исследований. По сути, эти микроскопы А. Левенгука представляли собой короткофокусные лупы. Линзы для них он получал из затвердевших капель расплавленного стекла путем их тщательной шлифовки на станке собственной конструкции. Если увеличение в микроскопе нидерландских мастеров оптики Х. и З. Янсенов составляло до 10 крат, то А. Левенгук довел его до 300 крат.
Концепция развития города Орска до 2030 года Стратегия развития города Орска
... рассчитывать на успешное развитие города в долгосрочной перспективе на базе только этих традиционных производств. Необходима существенная диверсификация хозяйственного комплекса Орска. Для этого требуется ускоренное развитие производств, ... уровня безопасности жизни в городе. Достижение желаемого будущего и реализация миссии Орска означает реализацию в период до 2015 года системы целей и задач, ...
В 1681 году члены Лондонского Королевского общества (Академии наук Англии) на своем заседании живо обсуждали опытные результаты, полученные А. Левенгуком при микроскопическом исследовании капли воды. Этот ученый тогда написал следующее: «С величайшим изумлением я увидел в капле воды великое множество зверюшек, оживленно двигающихся во всех направлениях, как щука в воде».
Интересный факт: изготовленные вручную однолинзовые микроскопы А. Левенгука из-за отсутствия в них главных недостатков составного микроскопа (наличие дефектов изображения по причине использования в них ряда линз) позволяли детально рассматривать изображения мелких тел. Согласно понадобилось около 150 лет развития мировой оптики, чтобы сложный микроскоп смог давать такое же качество изображения, как и простые микроскопы А. Левенгука.
Великий голландский мастер простейших микроскопов А. Левенгук впервые погрузился в мир микроскопических одноклеточных водорослей и некоторых бактерий, где, как известно, лежит граница между животным и растительным мирами. Благодаря применению микроскопа, перед ним и его коллегами открылся совершенно новый бесконечный мир маленьких живых существ. Мир не менее разнообразный и более оригинальный, чем видимый нами макромир.
В 1668 году Е. Дивини, присоединив к окуляру полевую линзу, создал окуляр современного типа. В 1673 году Гавелий ввел в рассматриваемый прибор микрометрический винт, а Гертель предложил под столик микроскопа для подсветки объекта наблюдения помещать зеркало. В этот временной период микроскопы стали изготавливать практически из тех же основных деталей, которые входят в состав современного биологического микроскопа.
В середине 17го столетия великий английский физик и математик Исаак Ньютон (1643-1727 гг.) открыл сложный состав белого света и разложил его призмой на семь цветов.
Рёмер доказал, что белый свет распространяется с конечной скоростью и измерил ее. Тогда же И. Ньютон предложил, что свет является потоком летящих частиц необычайной мелкости и частоты (корпускулярная теория света).
Известный голландский (нидерландский) ученый-физик Христиан Гюйгенс (1629-1695 гг.) в это время впервые заговорил о волнообразной природе света (волновая теория света).
Научный спор между этими физическими идеями И. Ньютона и Х. Гюйгенса продолжался целое столетие. Несмотря ни на что, решен он тогда так и не был.
Данный проблемный вопрос в физике был разрешен лишь через сто с лишним лет после высказанных И. Ньютоном и Х. Гюйгенсом гипотез о природе света известным французским физиком Огюстом Френелем (1788-1827 гг.).
Открытые и изученные им явления интерференции (сложение когерентных волн) и дифракции (огибание волнами препятствий) белого света убедительно доказали неоспоримость волновой теории света. Из полученных результатов, касающихся явления интерференции, О. Френель измерил длину волны белого света, составившую около 0,5 микрона. Так была доказана правота волновой природы света и показана исключительная тонкость (острота) проникновения человека с помощью микроскопа во внутреннюю сущность живого и неживого вещества.
Оптический микроскоп
... увеличением оптического изображения, даваемого объективом микроскопа. 4.3. Система освещения препарата В первых микроскопах исследователи вынуждены были пользоваться естественными источниками света. Для улучшения ... было до создания оптического микроскопа наноскопа. [3] 4. Устройство микроскопа Оптическая система микроскопа состоит из основных элементов — объектива и окуляра. Они закреплены ...
С появлением сложного микроскопа (например, микроскопа Гука в 1665 году), содержащего несколько оптических линз, на повестку дня встал актуальный вопрос по устранению в нем искажений изображения наблюдаемого микрообъекта. Для устранения хроматической абберации (этот термин происходит от латинского слова «aberratio» − «отклонение» и обозначает «искажение изображений, получаемых в оптических приборах»), вызываемой дисперсией (рассеянием) света в линзах и проявляющейся в образовании цветной каймы у изображения, в микроскопе потребовалось наличие двух стекол − крона и флинта. Стекло-флинт представляет собой стекло, в котором одной из основных частей является тяжелая окись свинца, обладающая непропорционально большой дисперсией.
Оптическая система, в которой устранена хроматическая абберация, называется ахроматической. Поэтому в дальнейшем в микроскопах стали применять ахроматические линзы.
Ахроматический микроскоп Эпинуса (1802 год) стал нашумевшим изобретением того далекого времени. Действительный член Петербургской академии наук, ставшей впоследствии Российской академией наук, Ф.У. Эпинус (1724-1802 гг.) в этом микроскопе предусмотрел использование шести сменных объективов и возможность плавного изменения увеличения исследуемых предметов путем перемены расстояния от предмета до его изображения. Россия благодаря этому ахроматическому микроскопу стала страной, где впервые в мире была выдвинута и воплощена в жизнь научно-техническая идея создания микроскопа переменного увеличения.
Заметим, что в последующие годы замысел изменения увеличения микроскопа за счет регулировки длины его тубуса не прижился. Сейчас это осуществляется за счет применения в оптическом микроскопе револьвера со сменными объективами, имеющими различное увеличение. Но сам факт практического внедрения такой идеи стал значимым вкладом в историю развития оптических микроскопов.
В 1824 году серьезный успех для микроскопии дала одна техническая идея Саллига, реализованная французской фирмой Шарля Шевалье. Сут=ь этой идеи свелась к изготовлению объектива оптического микроскопа не с одной линзы, а из ряда ахроматических линз, образующих подобранные ахроматические пары, включающие двояковыпуклую (положительную) и двояковогнутую (отрицательную) линзы. Его увеличение при этом достигло до 1000 крат. Граница предельного видения человеком через окуляр микроскопа вещества передвинулась от двух к одному микрону.
Электронный микроскоп реферат биология 6 класс скачать
... самостоятельным областям науки Современные микроскопы, которые в отличие от электронных мы будем называть оптическими, представляют ... чивает возможность различать мелкие детали изображения, формируемого оптической системой. Изображение, например, бесконечно удалённого источника ... систем (в котором пространство между предметом и объективом заполняется специальными средами) и позволяющий повысить ...
С создания в начале 19-го столетия первого ахроматического микроскопа начался новый этап в совершенствовании оптических микроскопов. В этот период известный итальянский оптик, астроном и ботаник Джованни Амичи (1786-1863 гг.) разработал оригинальную конструкцию катодиоптрического микроскопа (1827 год), в котором система оптических линз объектива была заменена на систему зеркал. Изобретение Дж. Амичи (рис. 8) подобного иммерсионного объектива микроскопа позволило избавиться в нем от такого вида искажения изображения наблюдаемого микрообъекта как хроматизм (возникновение радужного ореола вокруг изображения).
Связано это было с тем, что при отражении белого света от зеркальных поверхностей подобного объектива микроскопа не происходило его разложения.
В первой половине 19-го века на основе идеи Александра Фишера (1803-1884 гг.), работавшего профессором Московского университета им. М.В. Ломоносова, был создан панкратический микроскоп. Построен панкратический микроскоп был по принципиально новой оптической схеме, позволяющей плавно изменять увеличение изображения в процессе наблюдения исследуемого предмета без замены объектива и окуляра. Увеличение изображения предмета изменялось благодаря плавному перемещению объектива микроскопа относительно его предметного столика, на котором размещался наблюдаемый препарат. Панкратический микроскоп Фишера открыл новый этап в эволюции оптических микроскопов.
Заметим, что с появлением револьверных механизмов, позволяющих просто и быстро изменять в микроскопе масштаб наблюдения сменой объектива, схема панкратического микроскопа была вытеснена из микроскопии. Тем не менее, идея А. Фишера получила свое развитие в современных панкратических окулярах микроскопов, а сам тип этого микроскопа является на сегодня уникальным памятником науки и техники.
Разработанный и изготовленный Дж. Амичи для оптического микроскопа указанный выше объективахромат (1827 год) при хорошей коррекции аберраций позволял достигнуть лишь числовой апертуры 0,60. Напомним, что в оптике под термином «числовая апертура» понимается «произведение показателя преломления среды, отделяющей предмет наблюдения от передней линзы объектива микроскопа, на синус половины апертурного угла». В свою очередь, термином «апертурный угол» называется «угол между крайними лучами светового конуса, попадающего в объектив оптического прибора». Именно числовая апертура объектива определяет освещенность изображения и разрешающую способность микроскопа. Чем выше апертура объектива, тем лучше разрешающая способность оптического микроскопа.
В 1844 году Дж. Амичи провел опыты по применению в объективах микроскопов водной и масляной иммерсии, приведшие его в 1850 году к созданию объективаахромата с водной иммерсией при апертуре 1,30. Однако, современные объективы оптических микроскопов с масляной иммерсией (термин «иммерсия» происходит от латинского слова «immersio» − «погружение» и обозначает «размещение между первой линзой объектива микроскопа и рассматриваемым предметом жидкости для увеличения разрешающей способности микроскопа») при числовой апертуре 1,50 стали возможными только после работ выдающегося немецкого оптика Эрнста Аббе (1840-1905 гг.).
Операционные микроскопы
... окуляра, называемое оптическим интервалом или оптической длиной тубуса. Изображение, создаваемое объективом микроскопа в передней фокальной плоскости окуляра рассматривается через окуляр, который действует как ... материала. Впервые предложил использовать операционный микроскоп в хирургии среднего уха немецкий врач-отоларинголог С. Пилен в 1921 году. В 1922 году в содружестве с фирмой «Цейс» другой ...
Э. Аббе разработал теорию образования изображения наблюдаемого предмета в оптическом микроскопе. Именно им была внесена ясность в вопрос о разрешающей способности такого вида микроскопа. Под его руководством в 1872 году была рассчитана и изготовлена немецкой фирмой «Карл Цейс» в г. Йене серия первоклассных микрообъективов-ахроматов с апертурой до 1,50. В 1886 году получившая мировую известность фирма «Карл Цейс», руководимая Э. Аббе, выпустила серию микроскопов с объективами из восьми апохроматов ( с компенсационными окулярами), а в 1888 году она создала апохромат с монобромнафталиновой иммерсией при апертуре 1,60.
Характеризуя роль Э. Аббе в развитии микроскопии, известный советский физик-оптик, академик АН СССР Д.С. Рождественский (1876-1940 гг.), ставший в 1918 году первым директором Государственного оптического института, в свое время написал: «Э. Аббе впервые ясно показал, что каждой остроте инструмента соответствует свой предел возможности. Нельзя грубыми пальцами обрабатывать даже мягкий материал с точностью до сотой доли миллиметра, для этого нужны тонкие инструменты. Тончайший же из всех инструментов − это длина волны. Нельзя видеть объекты меньше полудлины световой волны – утверждает дифракционная теория Э. Аббе и нельзя получить изображение меньше полудлины волны, то есть меньше 0,25 микрона. Таким образом, гением Э. Аббе было установлено сознательное творчество в микроскопии и достигнуты пределы возможного.
Мы выяснили, что во второй половине 19-го столетия немецкой научной школой оптической микроскопии, возглавляемой доктором Э. Аббе, были достигнуты следующие основные результаты:
предельное разрешение микроскопа передвинулось от полумикрона до одной десятой микрона; в построение микроскопа вместо грубой эмпирики была введена высокая степень научности, основанная на разработанной теории оптического микроскопа; установлены возможные пределы по разрешающей способности оптического микроскопом и эти пределы были завоеваны на реальных конструкциях
Следует заметить, что теория образования изображения объектов в оптических микроскопах Э. Аббе получила свое дальнейшее развитие в 20-ом столетии в трудах таких признанных международными научными кругами отечественных ученых-академиков как Л.И. Мандельштам и Д.С. Рождественский. Кстати, последним было введено понятие относительной некогерентности освещения предмета наблюдения, выражаемой отношением числовых апертур осветительного устройства (конденсора) и объектива микроскопа.
В 1939 году с целью создания оптимальных условий освещения объекта в микроскопе сотрудниками указанной выше немецкой фирмы «Карл Цейс» было запатентовано осветительное устройство, содержащее панкратическую систему. Назначение данной системы состояло в плавном изменении апертуры осветительного светового пучка при одновременном изменении величины освещаемого участка объекта наблюдения. Необходимо указать, что отечественный вариант такого осветительного устройства серийно выпускался в СССР под шифром ПК-3 и входил в комплект исследовательского биологического микроскопа МБИ-15. Тем не менее, судя по результатам проведенного автором по известным литературным источникам (книгам и многочисленной интернет-информации) краткого научно-исторического обзора в области оптической микроскопии, проблема согласования параметров осветительной системы (конденсора) микроскопа с параметрами его сменных объективов и на сегодня представляется непростой.
Особенности оценки рыночной стоимости объектов незавершенного строительства
... года). В бухгалтерском учете объекты незавершенного строительства числятся на 08 Счете «Незавершенное строительство». С точки зрения оценки объектом незавершенного строительства является объект, не введенный в эксплуатацию в связи с приостановлением строительных работ. В оценочной деятельности объект незавершенного строительства ...
Английский оптик Дж. Сиркс своими научными трудами от 1893 года положил начало интерференционной микроскопии. В 1903 году Р. Жигмонди (R. Zsigmondy) и Х. Зидентопф (Н. Siedentopf) создали ультрамикроскоп. В 1911 году М. Саньяком (М. Sagnac) был описан первый двухлучевой интерференционный микроскоп, а в 1935 году Ф. Цернике (F. Zernicke) предложил использовать метод фазового контраста для наблюдения в оптических микроскопах прозрачных и слабо рассеивающих белый свет объектов.
За изобретение фазово-контрастного микроскопа профессор по кафедре теоретической физики Ф. Цернике в 1953 году был удостоен Нобелевской премии по физике. В 1951 году Эрвин Мюллер изобретает полевой ионный микроскоп и первым видит атомы. В первой половине 20-го века был изобретен электронный микроскоп, а в 1953 году финским физиологом А. Вильской (A. Wilska) был изобретен аноптральный микроскоп.
В 1967 году Э. Мюллер за счет добавления масс-анализатора к своему полевому ионному микроскопу создает первый зондирующий атомный микроскоп, позволивший ему производить химическую идентификацию каждого индивидуального атома.
ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ ТИПОВ МИКРОСКОПОВ
Все современные микроскопы можно классифицировать по следующим основным видам:
оптические микроскопы, включающие монокулярные, бинокулярные, стереоскопические, люминесцентные, темнопольные, контактные, ультраскопические, фазово-контрастные или аноптральные, интерференционные, конфокальные, металлографические, инфракрасные, ультрафиолетовые и поляризационные типы микроскопов; электронные микроскопы, включающие просвечивающие, растровые, отражательные, эмиссионные, теневые и зеркальные типы микроскопов; рентгеновские микроскопы, включающие отражательные, проекционные и лазерные типы приборов; сканирующие микроскопы, включающие измерительные электронные растровые, атомно-силовые, зондовые и туннельные типы микроскопов.
Остановимся далее более подробнее на некоторых типах указанных микроскопов, которые не вошли в отдельные пронумерованные разделы, представленные автором ниже.
Так, темнопольный микроскоп предназначен для рассматривания препаратов при освещении их лишь по краям темнопольным конденсором. При этом структуры, находящиеся внутри светового конуса, отражают свет и становятся хорошо видимыми на темном поле. Контактные микроскопы дают возможность проводить прижизненные исследования микроскопических структур отдельных участков тканей путем прижатия объектива к объекту исследования. В этом случае освещение объекта осуществляется через объектив микроскопа обычно коротковолновой частью светового излучения с применением опак-иллюминатора с интерференционным светоделителем.
Реферат сканирующий электронный микроскоп
... (ПЭМ) и растровые (РЭМ) электронные микроскопы. Первые позволяют изучать образцы в проходящих, а вторые – во вторичных или рассеянных объектом электронах. Применение просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) в минералогии началось ...
Ультраскопический микроскоп (ультрамикроскоп) позволяет наблюдать объекты, размеры которых находятся за пределами разрешающей способности наиболее сильных объективов световых микроскопов. Он имеет боковое освещение объекта исследования на фоне темного поля. Освещенные частицы объекта наблюдения, рассеивая свет, наблюдаются в виде ярких точек, что используется для изучения движения мелких частиц (чаще всего в проточной кювете).
Фазово-контрастный (аноптральный) микроскоп служит для исследования прозрачных объектов, которые не видны на светлом поле и не подлежат окрашиванию из-за возникновения аномалий в исследуемых образцах. Этот микроскоп широко применяется при лабораторном исследовании микробных клеток, микроскопическом анализе мочи и онкологических препаратов тканей.
Интерференционный микроскоп дает возможность исследовать объекты с низкими показателями преломления света и чрезвычайно малой толщины. В отличие от фазово-контрастного микроскопа в интерференционном микроскопе луч света, входящий в его конденсор и объектив, раздваивается. Часть света проходит через исследуемый объект, а другая мимо него по той же или дополнительной оптической ветви. В жулярной части микроскопа оба эти луча соединяются и интерферируются, что позволяет контрастировать и увидеть исследуемую структуру.
Ультрафиолетовый или инфракрасный микроскопы предназначены для исследования объектов на ультрафиолетовом или инфракрасном участке светового спектра. Данный тип микроскопа снабжен флуоресцентным экраном, на котором формируется изображение исследуемого препарата, фотокамерой с чувствительным к этим излучениям фотоматериалом или электронно-оптическим преобразователем для формирования изображения на экране осциллографа. Так как длина волны в ультрафиолетовой части спектра составляет 400−250 нм, то в ультрафиолетовом микроскопе можно получить более высокое разрешение, чем в обычном световом микроскопе, где освещение объекта осуществляется видимым световым излучением с длиной волны 700−400 нм. Преимуществом этого типа микроскопа является то, что невидимые в обычном световом микроскопе объекты становятся видимыми, поскольку они поглощают ультрафиолетовое излучение.
Анализ состояния строительной отрасли в РФ за последние 30 лет ...
... условий, значительная продолжительность строительного цикла, высокая мобильность строительных организаций и отдельных исполнителей, большая материалоемкость. Цель нашей работы – проанализировать состояние строительной отрасли РФ за ... пятилетке отчетливо наметился спад строительного производства в стране. Из предусмотренных 38 объектов топливно-энергетического комплекса фактически за год (1989 г.) в ...
Ультрафиолетовые микроскопы (например, марки МУФ-5 и МУФ-6) используются в медицине при гистохимических исследованиях. В инфракрасном микроскопе наблюдение объектов ведется на экране электронно-оптического преобразователя или фотографируется. С помощью инфракрасной микроскопии изучают внутреннюю структуру непрозрачных объектов.
Поляризационный микроскоп позволяет выявлять неоднородности (анизотропию) структуры при изучении строения тканей и различных образований в органах живого организма в поляризованном свете. Здесь освещение препарата осуществляется через поляризатор-пластинку, который обеспечивает прохождение волн света в определенной плоскости их распространения. Когда поляризованный свет, взаимодействуя со структурами живой ткани, изменяется, то эти биоструктуры начинают резко контрастировать. Эти физические особенности сейчас широко используются в медико-биологических исследованиях при изучении препаратов крови, гистологических препаратов, зубов, костей и др.
ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП
Начнем с устройства этого наиболее распространенного сейчас вида микроскопов. Оптическая система рассматриваемого микроскопа состоит из двух основных элементов − объектива и окуляра. Закреплены они в подвижном тубусе, расположенном на металлическом основании, на котором имеется предметный столик с объектом наблюдения и конденсором. Между объективом микроскопа и рассматриваемым в нём предметом вводится иммерсионная жидкость для усиления яркости и расширения пределов увеличения изображения. Увеличение оптического микроскопа без дополнительных линз между объективом и окуляром равно произведению их увеличений.
В современном монокулярном или бинокулярном оптическом микроскопе имеется осветительная система (в частности, конденсор с ирисовой диафрагмой), макро- и микровинты для настройки резкости и система управления положением конденсора. Конденсор (этот термин происходит от латинского слова «condensare» − «уплотнять») представляет собой короткофокусную линзу или систему линз. Предназначен он для концентрации светового потока и равномерного освещения рассматриваемого или проецируемого предмета. Окуляры данных микроскопов выполняются с мон- или бинокулярной насадкой.
Большинство типов этого класса микроскопов работают только с видимым оптическим излучением с длинами волн в диапазоне от 400 до 700 нм. Оптические микроскопы характеризуются разрешающей способностью не менее полудлины волны опорного излучения с диапазоном длин волн от 0,2 до 0,7 мкм. Максимальное увеличение, которого можно добиться в них, составляет до 2000 крат.
Бинокулярные оптические микроскопы позволяют получать два изображения объекта наблюдения, рассматриваемые под небольшим углом, что обеспечивает его объёмное восприятие. Общее увеличение оптических микроскопов с бинокулярной насадкой обычно больше, чем у соответствующих монокулярных микроскопов. Стереомикроскопы, по сравнению с обычными оптическими микроскопами, имеют существенно большее фокусное расстояние, что позволяет рассматривать крупные объекты. Кроме того, в отличие от обычных микроскопов, которые дают инвертированное изображение объекта, оптическая система стереомикроскопов не «переворачивает» получаемое изображение. Это позволяет широко использовать их для препарирования микроскопических объектов вручную или с использованием микроманипуляторов.
Стереомикроскопы (например, отечественные марки БМ-56, МБС-1, МБС-2 и МБС-З) обеспечивают исследование объекта под разными углами зрения. При этом создается стереоскопический эффект и наблюдаемое изображение исследуемого объекта воспринимается объемно. Люминесцентные микроскопы (например, отечественные марки МЛ-2 и МЛ-3) предназначены для исследования люминесцирующих объектов, что достигается путем освещения последних с помощью ультрафиолетового излучения. В люминесцентных микроскопах используется оптическое излучение с ближним ультрафиолетом (при длинах волн в диапазоне от 400 до 350 нм).
Наблюдая или фотографируя исследуемые препараты в свете их видимой возбужденной флуоресценции (в отраженном свете), с помощью люминесцентного микроскопа можно судить о структуре рассматриваемого в нем образца. Эти микроскопы используются в гистохимии, гистологии, микробиологии и при иммунологических исследованиях.
Прямое окрашивание исследуемого образца люминесцентными красителями позволяет специалистам более четко выявлять в клетках такие структуры, которые трудно рассмотреть в обычном оптическом микроскопе. Заметим, что при работе на люминесцентных микроскопах для определения интенсивности видимой флуоресценции исследуемых препаратов служит фотометрическая насадка (например, марки ФМЭЛ-1).
Конфокальный микроскоп − это оптический микроскоп, обладающий резко повышенным контрастом по сравнению со световым микроскопом. Достигается такой эффект в конфокальном микроскопе благодаря использованию апертуры, размещённой в плоскости изображения и ограничивающей поток фонового рассеянного света, идущего из глубины исследуемого лабораторного образца. Конфокальный микроскоп имеет такое же разрешение, как и обычный оптический микроскоп. Оно ограничено его дифракционным пределом. Создан конфокальный микроскоп был профессором Массачусетского технологического института (США) Марвином Минским (MarvinMinsky).
В 1961 году им был получен патент США на конфокальную схему для флуоресцентных микроскопов. Данная разработка была связана с необходимостью увеличения контраста наблюдения для меченых флуорохромами изучаемых объектов в толстых срезах тканей.
Показатель преломления большинства биологических объектов почти такой же, как и у стекла. В этой связи наблюдение таких объектов, находящихся на поверхности стекла предметного столика микроскопа, в обычном световом микроскопе затруднено. Поэтому конфокальный микроскоп, имеющий высокий контраст, даёт исследователю две неоценимые возможности:
во-первых, он позволяет исследовать препарированные ткани на клеточном уровне в состоянии их физиологической жизнедеятельности; во-вторых, он дает возможность оценивать результаты исследования клеточной активности биологических тканей в четырёх измерениях (высота, ширина, глубина и время).
При металлографическом исследовании различных изделий требуется наблюдать структуру поверхности непрозрачных макротел. Поэтому металлографический микроскоп построен по схеме отраженного света, где имеется специальный осветитель, установленный со стороны объектива прибора. Система призм и зеркал этого типа оптического микроскопа направляет свет на исследуемый объект. Далее свет отражается от поверхности нашего непрозрачного объекта и направляется обратно в объектив микроскопа. Современные металлографические микроскопы характеризуются большим расстоянием между поверхностью предметного столика и револьвером со сменными объективами, а также большим вертикальным ходом данного столика, что позволяет работать в этом микроскопе с крупными образцами.
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
Появление электронного микроскопа стало возможным после ряда физических открытий, совершенных учеными в период конца 19-го и начала 20-го столетий. Первым в этом ряду открытых людьми тайн микромира стоит открытие электрона, совершенное в 1897 году выдающимся английским физиком Джозефом Томсоном (1856-1940 гг.).
Следует напомнить, что за это открытие Дж. Томсону была присуждена Нобелевская премия по физике за 1906 год. Далее в 1924 году выдающимся французским физиком Луи де Бройлем (1892-1971 гг.) было введено понятие корпускулярно-волнового дуализма для электронов (позже для иных элементарных частиц и атомов), согласно которому эти частицы одновременно являются и волнами особого рода.
В 1927 году известный английский физик Джордж Томсон (сын упомянутого выше Дж. Томсона и также лауреат Нобелевской премии по физике) и американские физики Клинтон Дэвиссон и ЛестерДжермер, изучая дифракцию электронов на дифракционных решетках и монокристаллах, экспериментально подтвердили наличие у них волновых свойств и соответственно существование электронных волн.
Отметим тот важный факт, что в 1929 году Л. де Бройль за пионерские теоретические разработки в области волновых свойств электронов и корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц был удостоен Нобелевской премии по физике. Здесь необходимо упомянуть и об известных экспериментах немецкого физика Отто Штерна, проведенных в 1929 году для изучения волновой природы нейтральных атомов и молекул, рассеиваемых на двухмерной дифракционной решетке кристаллов.
Кроме того, в 1926 году немецкий физик Г. Буш создал магнитную линзу, позволяющую фокусировать электронные лучи. Это изобретение также послужило предпосылкой для создания в 1930-х годах первого электронного микроскопа. Вначале в 1931 году Р. Руденберг первым получил патент на электронный просвечивающий микроскоп. Затем в том же году М. Кнолль и Э. Руска построили первый прототип современного прибора, именуемого электронным просвечивающим микроскопом.
Заметим, что в 1986 году известный немецкий физик Эрнст Руска (1906-1988 гг.) за фундаментальные работы по электронной оптике и создание им еще в 1931 году первого электронного просвечивающего микроскопа стал лауреатом Нобелевской премии по физике.
Первые использования просвечивающего электронного микроскопа для научных исследований были начаты в конце 1930-х годов и практически тогда же появился первый подобный коммерческий прибор, построенный известной немецкой фирмой «Siemens». Массовое же применение во всем мире данных физических приборов, прежде всего, в научно-технических исследованиях началось в 1960-х годах, когда они достигли значительного технического совершенства.
Как функционирует этот микроскоп? В данном микроскопе, в отличие от оптического микроскопа, вместо обычного светового потока применяются пучки электронов с энергией (1−400) кэВ и более. Для этого он содержит электронную пушку с ускоряющим напряжением в десятки и сотни киловольт. В электронном просвечивающем микроскопе пучок электронов, испускаемый электронной пушкой, проходит через тонкий объект и попадает в линзу, которая создает первое электронное промежуточное изображение. Это изображение можно наблюдать на флуоресцирующем экране. Пучок электронов, несущий информацию об исследуемом объекте, проходя через отверстие в центре этого экрана, попадает на проекционную линзу, которая создает второе увеличение на втором экране. Полученное изображение можно фотографировать встроенным фотоаппаратом. Разрешающая способность электронного микроскопа в (103-104) раз превосходит разрешение светового микроскопа и для современных этих приборов численно может быть меньше одного ангстрема (10-10 м).
Для получения изображения в электронном микроскопе используются электромагнитные линзы, управляющие движением электронов в вакуумной колонне прибора с помощью своего магнитного поля.
Отметим, что электронные просвечивающие микроскопы, являющиеся, по сути, измерительными микроскопами с высоким разрешением, служат в основном для точного измерения угловых и линейных размеров объектов. Используются они широко в лабораторной металлофизической практике и в такой технической области как машиностроение. Широкая распространенность электронных микроскопов просвечивающего типа связана с их наиболее высокой разрешающей способностью по сравнению с микроскопами других типов.
Так, в электронном отражательном микроскопе изображение объекта видится в отраженных от него электронных лучах, что позволяет непосредственно изучать поверхность объекта. В электронном эмиссионном микроскопе изображение объекта формируется с помощью имитируемых им электронов. В электронном растровом микроскопе изображение формируется на осциллографическом кинескопе (дисплее), а в электронном теневом микроскопе оно создается путем увеличенного теневого изображения объекта на удаленном экране или фотопленке.
В электронном зеркальном микроскопе основой является электронное зеркало, отражающее электроны от эквипотенциальной поверхности объекта для последующего формирования изображения. Преимущество такого способа получения изображения в микроскопе заключается в том, что объект практически не облучается электронным пучком или облучается электронами слабых энергий, которые не повреждают исследуемые биологические объекты.
РЕНТГЕНОВСКИЙ МИКРОСКОП
Рентгеновский микроскоп является прибором, предназначенным для исследования очень малых объектов, размеры которых сопоставимы с длиной λ0r рентгеновской волны. Как известно, для тормозного (непрерывного) и характеристического (линейчатого) рентгеновского излучения величина λ0r изменяется от 10-14 до 10-7 м. В этом виде микроскопа используется суперкороткое электромагнитное излучение рентгеновского диапазона с длиной волны λ0r от 10-11 до 10-9 м.
Рентгеновские микроскопы по разрешающей способности находятся между электронными и оптическими микроскопами. Разрешающая способность современного рентгеновского микроскопа достигает от 20 до 2 нм, что на порядок больше разрешающей способности современного оптического микроскопа (до 150 нм).
Разработка рентгеновских микроскопов была сопряжена с рядом серьёзных технических трудностей. Дело в том, что рентгеновские лучи практически невозможно фокусировать как оптическими, так и электромагнитными линзами. Здесь для фокусировки рентгеновского излучения применяются линзы, действующие на основе эффекта обратного лучепреломления. Работа таких линз основано на различии коэффициентов преломления рентгеновских лучей в конденсированном веществе по отношению к воздуху. Поэтому функцию линзы в рентгеновском микроскопе выполняет линзообразная полость внутри твердого материала, получившая название «линзы Снигирёва». Для наблюдения и фиксации результатов воздействия рентгеновских лучей на объект приходится применять фототехнику или электронно-оптические преобразователи.
Первый коммерческий рентгеновский микроскоп был создан в 1950-х годах американским инженером Стерлингом Ньюбери(компания GeneralElectric).
Существуют два основных типа рентгеновских микроскопов − отражательные и проекционные. В последнее время к ним добавился еще и лазерный тип этого микроскопа. В рентгеновских отражательных микроскопах используется явление преломления рентгеновских лучей при их скользящем падении на объект.
Рентгеновские проекционные микроскопы используют высокую проникающую способность рентгеновских лучей в исследуемый объект. Благодаря тому, что коэффициент поглощения рентгеновских лучей зависит от размеров атомов вещества, через которые они проходят, то рентген-проекционные микроскопы позволяют получать информацию не только о структуре, но и о химическом составе изучаемого объекта. Рентгеновские микроскопы получили ныне широкое применение в разных сферах науки и техники, включая медицину, биологию, минералогию и материаловедение.
СКАНИРУЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
Сканирующий (растровый) электронный микроскоп (ScanningElectronMicroscope) является прибором, предназначенным для получения четкого изображения поверхности объекта с высоким (до 0,4 нм) пространственным разрешением, а также информации о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв исследуемого объекта.
Работа этого вида микроскопа основана на взаимодействии электронного зонда (пучка) с исследуемым веществом. В РЭМ тонкий электронный пучок, генерируемый электронной пушкой (источником электронов) и фокусируемый электронными линзами (обычно электромагнитными, а иногда и электростатическими), направляется на анализируемый образец. Остросфокусированный электронный пучок в РЭМ имеет значения энергий от 200 эВ до 50 кэВ. В результате взаимодействия между электронным зондом и образцом возникают низкоэнергетичные вторичные электроны, которые отбираются детектором вторичных электронов РЭМ. Сканируя электронным пучком поверхность объекта, в РЭМ можно получать карту рельефа анализируемой зоны образца.
Современный РЭМ позволяет работать в широком диапазоне увеличений приблизительно от 10 крат (эквивалентно увеличению сильной ручной линзы-лупы) до 106 крат, что примерно в 500 раз превышает предел увеличения лучших оптических микроскопов. Первые в мире РЭМ, формирующие изображение наблюдаемого объекта путем последовательного перемещения электронного зонда (пучка) диаметром 0,01 мкм по этому образцу, появились в 1938 году (их разработчик − немецкий инженер Манфред фон Арденне).
В современных РЭМ изображение объекта регистрируется исключительно в цифровой форме. Разрешение в РЭМ составляет до единиц нанометров. На 2009 год наилучшее разрешение было достигнуто на микроскопе Hitachi S-5500 (0,4 нм при ускоряющем напряжении 30 кВ).
Сегодня возможности растровой электронной микроскопии используются практически во всех областях науки (чаще в биологии и материаловедении) и промышленности.
СКАНИРУЮЩИЙ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОП
Cканирующий атомно-силовой микроскоп (AtomicForceMicroscope) является сканирующим зондовым микроскопом высокого разрешения. Используется этот вид микроскопа для определения рельефа как электропроводящих, так и диэлектрических поверхностей объектов наблюдения с разрешением от десятков ангстрем и вплоть до атомарного.
Атомно-силовой микроскоп (АСМ) был создан в США в 1982 году Гердом Биннигом, Кельвином Куэйтом и Кристофером Гербером как модификация ранее изобретённого одним из них сканирующего туннельного микроскопа. В отличие от РЭМ, который даёт псевдотрёхмерное изображение поверхности образца, АСМ позволяет получить истинный трёхмерный рельеф его поверхности.
Для нормальной работы РЭМ требуется высокий вакуум, в котором размещается и исследуемый образец, а большинство режимов АСМ могут быть реализованы на воздухе или в жидкости. АСМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума. Показано, что АСМ можно использовать для определения типа атомов в кристаллической решётке вещества.
Сверхвысоковакуумный АСМ по разрешению сравним с просвечивающим электронным микроскопом и сканирующим туннельным микроскопом. Основными конструктивными элементами АСМ являются: жесткий корпус, удерживающий измерительную систему; держатель образца; манипулятор с кантилевером (зондирующей иглой, радиус закругления острия которой составляет порядка десятка ангстрем), контактирующим с поверхностью образца.
В большинстве современных АСМ для компьютеризированной регистрации изменения положения кантилевера используется оптическая система, в которой острый луч лазера направляется на внешнюю поверхность кантилевера, отражается от него и попадает на фотодетектор. Регистрируя таким путем величину изгиба кантилевера, перемещающегося по поверхности образца, можно судить о рельефе этой поверхности. Манипулятор АСМ при своих габаритах в несколько сантиметров позволяет передвигать кантилевер (иглу с наноразмерным острием) с разрешением до 0,1 ангстрема.
Продолжая описание характеристик АСМ, отметим, что к недостаткам АСМ, при его сравнении с РЭМ, следует отнести небольшой размер поля сканирования. Если РЭМ в состоянии просканировать область поверхности образца размером в несколько миллиметров в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько миллиметров в вертикальной плоскости, то для АСМ максимальный перепад высот составляет несколько микрон, а максимальное поле сканирования в лучшем случае достигает размера 150×150 мкм2. Обычный АСМ не в состоянии сканировать поверхность также быстро, как это делает РЭМ.
Укажем, что в 1988 году Альфред Церезо, Теренс Годфри и Джордж Смит впервые применили позиционночувствительный детектор в зондирующем атомносиловом микроскопе. Это позволило им с помощью подобного детектора видеть положение атомов вещества в трёхмерном (евклидовом) пространстве.
СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП
Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) относится к новому виду микроскопов и изображение в нем по аналогии с АСМ получают путем регистрации взаимодействия между острым зондом (кантилевером) нанометрических размеров и поверхностью образца. При помощи СЗМ можно регистрировать взаимодействие зонда с отдельными атомами и молекулами изучаемого вещества. При создании СЗМ проявилось значимое научно-техническое влияние передовой области электронной микроскопии − сканирующей зондовой и туннельной микроскопии. СЗМ по своей разрешающей способности сопоставим с электронным просвечивающим микроскопом (до 0,1 нм), а по некоторым параметрам превосходит его.
СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП
Одним из возможных вариантов СЗМ является cканирующий туннельный микроскоп (ScanningTunnelingMicroscope), предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. В сканирующем туннельном микроскопе (СТМ) острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем. При подаче на эту иглу относительно проводящей поверхности образца небольшого электрического потенциала в цепи возникает туннельный ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния в системе «образец-игла». При указанном расстоянии около 1 ангстрема типичными значениями туннельного тока служат (1−103) пА.
В процессе сканирования игла СТМ движется вдоль проводящей поверхности образца. При этом туннельный ток поддерживается стабильным за счёт действия обратной связи, а показания следящей системы изменяются в зависимости от топографии исследуемой поверхности. Такие изменения фиксируются регистрирующим блоком СТМ и на их основе строится карта высот на поверхности образца.
СТМ стал первым из класса сканирующих зондовых микроскопов. Его разработали в 1981 году Герд Бинниг и Генрих Рорер. В 1986 году изобретатели этого микроскопа Г. Бинниг и Г. Рорер получили Нобелевскую премию по физике (совместно с Э. Руска за изобретение им в 1931 году электронного просвечивающего микроскопа).
Кроме того, в 1988 году Кинго Итайя (Kingo Itaya) был изобретен электрохимический сканирующий туннельный микроскоп. Из последних важных достижений в микроскопии укажем, что в 2006 году научной группой известного немецкого физика Штефана Хелля (Stefan Hell) из Института биофизической химии научного сообщества Макса Планка (г. Гёттинген, Германия) в сотрудничестве с аргентинским учёным-физиком МарианоБосси (MarianoBossi) был разработан и создан оптический микроскоп под названием наноскоп, позволяющий преодолеть дифракционный предел Э. Аббе и наблюдать объекты размером около 10 нм (к 2010 году этот предельный размер по разрешению стал еще меньше).
При этом в уникальном наноскопе обеспечиваются высококачественные трёхмерные изображения объектов, ранее недоступные для обычной световой и конфокальной микроскопии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
С изобретением микроскопа люди открыли дверь в микромир. Эта область оптики тесно связана и с другими разделами физики, а оптические методы исследования является наиболее точными. Будут совершенствоваться микроскопические исследования процессов в динамике, т.е. происходящих непосредственно в микроскопе или в сочлененных с ним установках. К таким процессам относятся испытания образцов в микроскопе непосредственно во время анализа их микроструктуры. Здесь успех будет обусловлен, в первую очередь, развитием техники высокоскоростной фотографии и повышением временного разрешения детекторов микроскопов, а также использованием мощных современных компьютеров.
Работа над рефератом помогла мне понять, что микроскопия с каждым годом заметно прогрессирует. С помощью различных микроскопов люди делают новые открытия, продолжают изучать медицину, зоологию, биологию и материаловедение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/na-temu-istoriya-razvitiya-mikroskopa/
Баранов М.И. Антология выдающихся достижений в науке и технике: Монография в 2-х томах. Том 1. − Харьков: Изд-во «НТМТ», 2011. − 311 с. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Монография в 2-х томах. Том 1: Электрофизика и выдающиеся физики мира. − Харьков: Изд-во НТУ «ХПИ», 2008. − 252 с Большой иллюстрированный словарь иностранных слов. – М.: Русские словари, 2004. – 957 с. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. − Нижний Новгород: Институт физики микроструктур РАН, 2004. − 110 с. Скляренко В.М., Сядро В.В. Открытия и изобретения. − Харьков: Веста, 2009. − 144 с. Храмов Ю.А. История физики. − Киев: Изд-во «Феникс», 2006. − 1176 с.
