Способы уменьшения предела разрешения

1. Переход к более корот­ким длинам волн, что осуществляется в современных ультрафиолето­вых микроскопах. Однако это требует изготовле­ние оптики микроскопа из кварцевого стек­ла или флюорита, и ограничено длинами волн 200 - 250 нм, т.к. большинство биологических объектов сильно поглощают корот­кий ультрафиолет. Изо­бражение рассматривается либо на флюо­ресци­рующем экране, либо фотографируется. Микро­скопирование в ультрафиолетовых лучах дает возможность увеличить разре­шающую способ­ность микроскопа примерно в два раза. Для даль­нейшего увеличения разрешающей способности мик­роскопа, применяют электрон­ные микро­скопы, в которых исполь­зуются волновые свой­ства быстрых электронов. Их длина волны очень мала, т.к. они разгоняются до очень больших скоростей. Поэтому предел разрешения состав­ляет примерно 0,1 нм.

2. Введение иммерсионной среды.

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

В качестве иммерсии ис­пользуют воду (n =1,33), касто­ровое масло (n =1,5). При вве­дении иммер­сии, свет от объектива до предмета прохо­дит в оптически однородной среде. Это позволяет уве­ли­чить яркость изображения и уменьшить угол дифракции для лучей, образующих макси­мумы первого порядка.

Z = λ/ (n sinU),

где n — показатель преломления иммерсии.

3. При рассматривании объекта в наклонных лу­чах, величина предела разрешения определя­ется как:

Z = λ/ (2n sinU)

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

Электронный микроскоп

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

eU = (mυ²)/2, откуда υ =((2eU)/m)^1/2

По формуле Луи де Бройля λ = y/(mυ)

λ = h/(m(2eU)/m)^1/2, λ = h/ (2emU)^1/2

где h - постоянная Планка , U - ускоряющее на­пряжение, е и m - заряд и масса электрона.

Современные электронные микроскопы позво­ляют рассмат­ривать предметы, размером, при­мерно, около 10 нм. Электроны могут увеличи­вать свою кинетическую энергию, т.е. скорость под действием магнитного поля. Если вектор его ско­рости совпадает с направлением вектора ин­дукции магнитного поля, то он движется парал­лельно силовым линиям. Когда же век­тор скоро­сти электрона перпендикулярен направлению вектора индукции магнитного поля, то он начи­нает двигаться по круговой орбите.

Фокусировка электрона осуществляется с помо­щью магнит­ного поля (длинные и короткие маг­нитные линзы). Длинная магнитная линза пред­ставляет собой соленоид, поле внутри которого однородно.

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

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

Fл = keBυsinα

Здесь В - магнитная индукция поля. Под дейст­вием этой силы электрон будет двигаться по ок­руж­ности. Тогда, результирующее движение в магнитном поле будет представлять собой дви­жение по винтовой линии, а этот электрон и все остальные, вылетающие под небольшим углом к направле­нию силовых линий, соберутся в неко­торой точке В, которая бу­дет являться изображе­нием точки А, равное ей по величине, при­чем точка В будет располагаться на той же линии, что и точка А. Таким образом, соленоид не дает уве­личения или уменьше­ния предмета, т.е. Г=1, он играет роль конденсора. Для получе­ния увели­ченного изображения используют корот­кие маг­нитные линзы, поле которых неоднородно и про­тяжен­ность очень мала. Чтобы добиться этого, катушку окружают ме­таллическим кожухом, ос­тавляя узкую кольце­вую щель и ставят конусные полюсные наконеч­ники. Электроны, идущие из точек А и В пред­мета, соберутся в точках А₁ и В₁. Расстояние между этими точками много больше расстояния между точками А и В, т.е. мы полу­чим увели­ченное прямое изображение. В этом и состоит принцип работы короткой магнитной линзы. Ее фокусное расстояние до 1 мм, а увели­чение порядка 300.

Электронный микроскоп состоит:

1. Источник электронов - электронная пушка.

2. Диафрагма.

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

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

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

6. Фотокамера.

7. Вакуумная система.

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

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

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

Электроны, рассеянные объектом, собираются объективной линзой в плоскости, где образуется промежуточное перевернутое, увеличенное изо­бражение объекта. Проекционная линза еще больше увеличивает изображение и, в опреде­ленной плоскости за ней, формируется оконча­тельное изображение объекта. Длина волны, движущихся электронов, достигает порядка не­скольких сотых ангстрема (0,05 А), что позволяет получить предел разрешения в несколько ангст­рем. Это соответствует увеличению порядка 10⁵—10⁶ раз.

Поляризация света

Свет по Максвеллу представляет собой электро­магнитную волну -совокупность меняющихся взаимосвязанных электричес­кого и магнитного полей. Напряженность электрического поля Е,

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

Свет, колебания электрической составляю­щей в котором происходит в определенной плоскости, называется плоско поля­ризован­ным.

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

Поляризацией света называется выделение из пучка есте­ственного света лучей, колебания светового вектора которых лежат в одной плоскости.

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

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

tg = n

Устройства, служащие для получения поляризо­ванного света, называют поляризаторами, а устройства, позволяющие опреде­лить положение в пространстве плоскости колебаний поляризо­ванного света, называ­ются анализаторами. По­ляризацию света можно получить при прохо­ж­дении естествен­ного света через крис­талл ис­ландского шпата. При падении естественного света на такой кристалл, имеет место явление двойного лу­чепреломления, которое заключается в разделении света на два световых пучка, иду­щих по несколько отличным направлениям. Один из них называется обыкновенным, а другой -необыкно­венным.

Кристалл исландского шпата представляет собой прозрачный ромбоэдр, все плоскости которого параллелограммы с тупыми уг­лами 102° и ост­рыми -78°. В кристалле имеются две вер­шины, в которой сходятся три тупых угла.

Прямая, соединяющая эти вершины, называ­ется кристалло­графической осью, а любая прямая параллельная ей, называется оптиче­ской осью кристалла. В направлении оптиче­ской оси двойного лучепреломления не наблю­дается. Плоскость, проведенная через падаю­щий луч и оптическую ось, называется глав­ным сечением кристалла.