Матеріали для Нової української школи 1 клас - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

ФІЗИКА - Золота колекція рефератів - 2018

МІКРОСКОП

До другої половини XIX ст. оптична техніка досягла значних успіхів, однак знахідки в конструюванні об’єктивів мікроскопів ще не мали твердої теоретичної основи.

Камені для спорудження теоретичного будинку вже існували: це була хвильова теорія світла, створена на початку XIX ст. Юнгом і Френелем, а також розроблена Швердом теорія дії дифракційної решітки Фраунгофера. Залишалося тільки з цих каменів скласти теорію дії оптичних приладів. Найважливіший крок на цьому шляху зробив німецький фізик Аббе — технічний консультант відомої вже в XIX ст. оптичної фірми «Карл Цейсе». Основну роботу — побудову теорії й численних експериментів з її перевірки — Аббе провів у 1866-1870 рр., а через три роки опублікував свою теорію утворення зображення в мікроскопі.

Будь-який самосвітний або освітлюваний предмет є джерелом світлових хвиль, які підкоряються законам, загальним для всіх видів хвиль. Хвилі зазнають дифракції, якщо на їхньому шляху зустрічаються перешкоди, і завдяки їй тією чи іншою мірою заходять в ділянку хвильової тіні. Такими перешкодами в оптичних системах є оправи лінз і спеціальні обмежуючі діафрагми, що вирізають окремі ділянки з усього світлового пучка, що йде від предмета. Розрахувати розподіл світлового потоку за перешкодою дозволяє відомий принцип Гюйгенса-Френеля.

Гюйгенс, щоб визначити, як поширюється світлова хвиля від її джерела, припустив, що в кожний момент свого поширення фронт хвилі доходить до ряду точок середовища, які у свою чергу стають джерелами вторинних хвиль. Лінія, яка обгинає фронти вторинних сферичних

хвиль, саме і дає положення фронту поширення хвилі у наступний проміжок часу. Френель пояснив і доповнив такий спосіб побудови фронту хвилі. Обвідна вторинних хвиль дає положення фронту хвилі тому, що тільки на ній вторинні хвилі в результаті взаємної інтерференції мають відмінну від нуля амплітуду. Метод одержання хвильової картини полягає в тому, щоб просумувати амплітуди хвиль від всіх первинних джерел, збуджених первинною хвилею, з урахуванням розходження у відстані від них до точки спостереження. Це розходження призводить до різниці у фазах окремих хвиль, які приходять у точку спостереження, що при інтерференції хвиль призводить до різного ступеня їхнього взаємного посилення або ослаблення.

Саме в такий спосіб можна обчислити розподіл світлового потоку від точкового джерела світла («світної точки») після того, як світло пройшло через лінзу. Для простоти вважають, що лінза являє собою будь-яку сферичну поверхню, яка відокремлює один простір від іншого. Простір, де знаходиться точкове джерело світла, прийнято називати простором предметів, а друге, за лінзою, — простором зображень. У нашому випадку обидва простори відрізняються один від одного тільки своїм показником заломлення.

Плоска хвиля від нескінченно віддаленого предмета (так узято для простоти; можна розглядати падаючу хвилю також складнішої форми), заломившись на опуклій сферичній поверхні розділу двох середовищ, перетворюється в просторі на збіжну сферичну хвилю й у фокальній площині дає зображення точки. Будемо вважати, що самій поверхні розділу не властива сферична аберація. Очевидно, що навіть у цьому випадку через дифракцію світлових хвиль на краях оправи, у яку поміщена поверхня, зображення точки не буде точковим.

Розрахунок за методом Гюйгенса-Френеля, який добре підтверджує також експериментальні спостереження, показує, що зображення матиме вигляд кружальця обмеженого розміру, оточеного темними й світлими кільцями. Інтенсивність кілець швидко зменшується в міру віддалення від центра кружальця, що відповідає ідеальному зображенню точки. Як одиниця відстані по радіусу обрана величина

де n' — показник заломлення в просторі зображень; λ — довжина світлової хвилі, r' — відстань віл центру кружальця; R — радіус кривизни поверхні розділу; D — діаметр оправи, у яку вона поміщена. Чисельний розрахунок розподілу освітленості був виконаний в 30-х рр. позаминулого століття ірландським ученим Ейрі; він показав, що радіус центрального світлового кружальця складає 3,83ω. На нього припадає майже 84 % усього світлового потоку.

Помістимо в просторі предметів біля першої світної точки другу. За яких умов ми побачимо зображення обох точок окремо, тобто роз’єднаємо їх? Виявляється, це завдання вирішується по-різному, залежно від того, чи є ці точки самосвітними або ж вони помітні лише при сторонньому освітленні, і від того, який характер має саме освітлення. Зрозуміло, що перший випадок має значення для телескопа, а другий — для мікроскопа.

Оскільки в результаті дифракції зображення світних точок виходить у вигляді кружалець, загальне їх зображення матиме досить складний вигляд. Дві світлі ділянки при дуже близьких зображеннях точок зіллються практично в одну, і лише при поступовому розсуванні точок посередині між ними почне вимальовуватися трохи темніша ділянка. Питання полягає в тому, яким повинен бути контраст цієї темнішої ділянки зі світлішою, щоб можна було розділити зображення точок.

Мінімальний відчутний контраст залежить від освітленості зображення, його розмірів, кольору, тривалості розглядання зображення й індивідуальних якостей спостерігача. Півтора століття тому ці дані ще нікому не були відомі, але вже тоді було зрозуміло, що потрібний якийсь об’єктивний критерій, який не залежить від спостерігача й рівною мірою підходить для різних умов спостереження, у тому числі й для будь-яких абсолютних яскравостей або освітленостей об’єкта. За такий критерій англійський фізик Релей прийняв, що дві точки розглядатимуться роздільно, коли центральний максимум освітленості зображення однієї з точок збігається з першим мінімумом освітленості (першим темним кільцем) зображення іншої. Тоді можна підрахувати, що освітленість у середині темної «перемички» на відстані 3,83ш між світлими ділянками складе 77,5 % максимальної, тобто контраст дорівнюватиме 22,5 %. Звідси й знаходять значення найменшої роз’єднувальної відстані (або граничної дозвільної здатності) у просторі зображень:

Введемо важливу для подальшого розгляду величину Легко встановити, що є синусом апертурного кута, тобто кута охоплення світлового пучка лінзою або сферичною поверхнею (у просторі зображень). Величина А' = n'sinu' була названа числовою апертурою для того, щоб підкреслити її безрозмірний характер. Від числової апертури в просторі зображень можна перейти до числової апертури в просторі предметів. Для цього, по суті, потрібно лише, щоб сферична поверхня розділу була позбавлена сферичної аберації. Тоді апертури зв’язані дуже простим співвідношенням — умовою синусів Аббе: А = М1А', де М1 — збільшення, що дається поверхнею. А звідси вже виходить важлива формула для граничної роздільної здатності двох світних точок:

Зверніть увага на таку обставину. Навіть якщо за мінімальний контраст взяти не згадані вище 22,5 %, а тільки, скажімо, 5 %, то це відповідатиме радіусу центрального кружальця не 3,83ω, а 3,3ω, і r зміниться лише приблизно на 15 %. Важливо, що «суб’єктивна» оцінка роздільної здатності не набагато відрізняється від «об’єктивної». Оскільки sin u не може перевищувати 1 і показник заломлення для стекол зазвичай не буває більшим ніж 1,5, а в найсприятливішому випадку побільше 1,4 і тоді r ≈ 0,41. Саме цe мають на увазі, коли кажуть, що гранична роздільна здатність оптичної системи має порядок довжини хвилі світла, що падає або випромінюється.

З попередньої формули можна оцінити також (при контрасті 5 %) граничну кутову роздільну здатність, що дається об’єктивом телескопа:

Тут а виражається в кутових секундах; D — діаметр оправи об’єктива, м. Наприклад, для лінзового телескопа (телескопа-рефрактора) з діаметром об’єктива 1 м гранична кутова роздільна здатність α = 12''. Формули і α = 0,12D для роздільної здатності справедливі, коли точки світяться незалежно одна від одної. Це можуть бути зірки або деталі предмета, освітлювані світловими хвилями від різних ділянок джерела світла. Але коли на обидві точки потрапляють лише різні ділянки фронту однієї й тієї ж хвилі, положення змінюється.

Тепер ми вже не маємо права додавати освітленості або інтенсивності світла, як це робилося вище. Тепер світлові пучки від кожної з точок інтерферують між собою так, що складати спочатку потрібно амплітуди хвиль із урахуванням співвідношень між їхніми фазами. Тільки після цього отриману суму можна буде зводити до квадрата, щоб одержати розподіл інтенсивності світла або освітленості на зображенні.

Якщо побудувати новий розподіл відповідно до того як це було зроблено вище, то ми побачимо, що при відстані 3,83ω між зображеннями точок ще немає, контрасту; вони зливаються. Щоб цей контраст з’явився й точки вдалося розділити, їх потрібно розсунути ще на 30-40 %. Іншими словами, освітлення «загальною хвилею», або, як його називають фізики, когерентне освітлення, погіршує роздільну здатність мікроскопа.

Повернемося до формули для роздільної здатності у випадку двох точок, які незалежно випромінюють світле (незначно-самосвітних або освітлюваних). Цими точками можуть бути також дві близько розташовані в полі зору зірки, і дві ділянки мікроскопічного об’єкта. З формули відразу видно, чому збільшення розмірів об’єктива або введення імерсійної рідини між предметом і об’єктивом робить зображення виразнішим. Адже при тій самій фокусній відстані об’єктива й незмінній відстані предмета від нього збільшення розмірів «зіниці» об’єктива (відкритої до світла його частини) призводить до зростання апертурного кута, а отже, і його синуса. А введення рідини (з показником заломлення n > 1) замість повітря (n = 1) ще більше зменшує r.

Залишилося зрозуміти, чому роздільна здатність поліпшується при скісному освітленні предметів у мікроскопі. Для цього спочатку поговоримо про саму освітлювальну систему мікроскопа. У переважній більшості випадків через мікроскоп розглядають несамосвітні предмети. Природні умови освітлення непостійні, залежать від часу доби, погоди й інших факторів. Потрібні штучні джерела освітлення, але зазвичай вони невеликі за своїми розмірами, а світлом потрібно заповнити всю апертуру об’єктива. Джерело світла разом з тим повинне мати достатню яскравість. Необхідне якомога рівномірніше освітлення поля зору мікроскопа. Треба також ураховувати, що джерело світла (зазвичай лампочка накалювання) виділяє багато теплової енергії, тому його не можна розташовувати близько до предмета або об’єктива. Крім перерахованих, існує безліч інших вимог.

У зв’язку з цим джерело освітлення поміщають осторонь від мікроскопа, світло від нього збирають у майже паралельний пучок за допомогою спеціальної колекторної лінзи, а розміри світлового пучка обмежують за допомогою спеціальної польової діафрагми освітлювача. Цей пучок іде горизонтально, і щоб повернути його в напрямку, який відповідає установці тубуса мікроскопа, користуються дзеркалом. За дзеркалом іде апертурна діафрагма регульованого діаметра, що дозволяє змінювати поперечні розміри світлового пучка, а за цією діафрагмою розташовується конденсор. Саме завдяки конденсорній лінзі можна одержати пучок світла, що заповнює всю відкриту частину об’єктива; але для цього апертура конденсора повинна бути не меншою апертури об’єктива. Якщо використовується імерсійний об'єктив, то між конденсором і предметом теж треба вводити імерсійну рідину.

У цьому випадку світло проходить через прозорий предмет в об’єктив. Для непрозорих предметів така система, мабуть, не підходить, і предмет освітлюють через об’єктив, причому сам він і виконує роль конденсора. Подібна система називається онак-ілюмінатором (від французького слова opaque — непрозорий). При цьому промені світла відбиваються від предмета й повертаються в об’єктив. Після проходження через конденсор світло падає на освітлюваний предмет широким паралельним пучком, причому вісь пучка для рівномірного освітлення поля зору повинна збігатися з оптичною віссю мікроскопа.









загрузка...

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами. Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посилання на сайт, будьте вдячними ми затратили багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2008-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.