Микроскоп - (от греческого mikros - малый и skopeo - смотрю), оптический прибор для получения увеличенного изображения мелких объектов и их деталей, не видимых невооруженным глазом. Сегодня трудно представить себе научную деятельность человека без микроскопа. Микроскоп широко применяется в большинстве лабораторий медицины и биологии, геологии и материаловедения.
Полученные с помощью микроскопа результаты необходимы при постановке точного диагноза, при контроле над ходом лечения. С использованием микроскопа происходит разработка и внедрение новых препаратов, делаются научные открытия.
Микроскоп - (от греческого mikros - малый и skopeo - смотрю), оптический прибор для получения увеличенного изображения мелких объектов и их деталей, не видимых невооруженным глазом.
Глаз человека способен различать детали объекта, отстоящие друг от друга не менее чем на 0,08 мм. С помощью светового микроскопа можно видеть детали, расстояние между которыми составляет до 0,2 мкм. Электронный микроскоп позволяет получить разрешение до 0,1-0,01 нм.
Изобретение микроскопа, столь важного для всей науки прибора обусловлено, прежде всего, влиянием развития оптики. Некоторые оптические свойства изогнутых поверхностей были известны еще Евклиду (300 лет до н.э.) и Птоломею (127-151 гг.), однако их увеличительная способность не нашла практического применения. В связи с этим первые очки были изобретены Сальвинио дели Арлеати в Италии только в 1285 г. В 16 веке Леонардо да Винчи и Мауролико показали, что малые объекты лучше изучать с помощью лупы.
Первый микроскоп был создан лишь в 1595 году Захариусом Йансеном (Z. Jansen). Изобретение заключалось в том, что Захариус Йансен смонтировал две выпуклые линзы внутри одной трубки, тем самым, заложив основы для создания сложных микроскопов. Фокусировка на исследуемом объекте достигалось за счет выдвижного тубуса. Увеличение микроскопа составляло от 3 до 10 крат. И это был настоящий прорыв в области микроскопии! Каждый свой следующий микроскоп он значительно совершенствовал.
В этот период (XVI в.) датские, английские и итальянские исследовательские приборы постепенно начали свое развитие, закладывая фундамент современной микроскопии.
Быстрое распространение и совершенствование микроскопов началось после того, как Галилей (G. Galilei), совершенствуя сконструированную им зрительную трубу, стал использовать ее как своеобразный микроскоп (1609—1610), изменяя расстояние между объективом и окуляром.
Позднее, в 1624 г., добившись изготовления более короткофокусных линз, Галилей значительно уменьшил габариты своего микроскопа.
В 1625 г. членом Римской "Академии зорких" ("Akudemia dei lincei") И. Фабером был предложен термин "микроскоп". Первые успехи, связанные с применением микроскопа в научных биологических исследованиях, были достигнуты Гуком (R. Hooke), который первым описал растительную клетку (около 1665 г.). В своей книге "Micrographia" Гук описал устройство микроскопа.
В 1681 г. Лондонское королевское общество в своем заседании подробно обсуждало своеобразное положение. Голландец Левенгук (A. van Leenwenhoek) описывал изумительные чудеса, которые открывал своим микроскопом в капле воды, в настое перца, в иле реки, в дупле собственного зуба. Левенгук с помощью микроскопа обнаружил и зарисовал сперматозоиды различных простейших, детали строения костной ткани (1673—1677).
"С величайшим изумлением я увидел в капле великое множество зверюшек, оживленно двигающихся во всех направлениях, как щука в воде. Самое мелкое из этих крошечных животных в тысячу раз меньше глаза взрослой вши."
Лучшие лупы Левенгука увеличивали в 270 раз. С ними он увидел впервые кровеносные тельца, движение крови в капиллярных сосудах хвоста головастика, полосатость мускулов. Он открыл инфузории. Он впервые погрузился в мир микроскопических одноклеточных водорослей, где лежит граница между животным и растением; где движущееся животное, как зеленое растение, обладает хлорофиллом и питается, поглощая свет; где растение, еще прикрепленное к субстрату, потеряло хлорофилл и заглатывает бактерии. Наконец, он видел даже бактерии и в великом разнообразии. Но, разумеется, тогда не было еще и отдаленной возможности понять ни значение бактерий для человека, ни смысла зеленого вещества - хлорофилла, ни границы между растением н животным.
Открывался новый мир живых существ, более разнообразный и бесконечно более оригинальный, чем видимый нами мир.
В 1668 г. Е. Дивини, присоединив к окуляру полевую линзу, создал окуляр современного типа. В 1673 г. Гавелий ввел микрометрический винт, а Гертель предложил под столик микроскопа поместить зеркало. Таким образом, микроскоп стали монтировать из тех основных деталей, которые входят в состав современного биологического микроскопа.
В середине 17 столетия Ньютон открыл сложный состав белого света и разложил его призмой. Рёмер доказал, что свет распространяется с конечной скоростью, и измерил ее. Ньютон высказал знаменитую гипотезу - неверную, как вам известно,- о том, что свет есть поток летящих частиц такой необычайной мелкости и частоты, что они проникают через прозрачные тела, как стекло через хрусталик глаза, и, поражая ретину ударами, производят физиологическое ощущение света. Гюйгенс впервые заговорил о волнообразной природе света и доказал, как естественно она объясняет и законы простого отражения и преломления, и законы двойного лучепреломления в исландском шпате. Мысли Гюйгенса и Ньютона встретились в резком контрасте. Таким образом, в XVII в. в остром споре действительно встала проблема о сущности света.
Как разгадка вопроса сущности света, так и усовершенствование микроскопа подвигались вперед медленно. Спор между идеями Ньютона и Гюйгенса продолжался целое столетие. К представлению о волновой природе света примкнул знаменитый Эйлер. Но решен был вопрос лишь через сто с лишним лет Френелем талантливым исследователем, какого знала наука.
Чем отличается поток распространяющихся волн - идея Гюйгенса - от потока несущихся мелких частиц - идея Ньютона? Двумя признаками:
1. Встретившись, волны могут взаимно уничтожиться, если горб одной ляжет на долину другой. Свет + свет, сложившись вместе, могут дать темноту. Это явление интерференции, это кольца Ньютона, непонятые самим Ньютоном; с потоками частиц этого быть не может. Два потока частиц - это всегда двойной поток, двойной свет.
2. Через отверстие поток частиц проходит прямо, не расходясь в стороны, а поток волн непременно расходится, рассеивается. Это дифракция.
Френель доказал теоретически, что расхождение во все стороны ничтожно, если волна мала, но все же и эту ничтожную дифракцию он обнаружил и измерил, а по ее величине определил длину волны света. Из явлений интерференции, которые так хорошо известны оптикам, полирующим до "одного цвета", до "двух полос", он также измерил длину волны - это полмикрона (половина тысячной доли миллиметра). И отсюда стали неоспоримыми волновая теория и исключительная тонкость и острота проникновения в сущность живого вещества. С тех пор все мы в разных модификациях подтверждаем и применяем мысли Френеля. Но и не зная этих мыслей, можно усовершенствовать микроскоп.
Так это и было в XVIII столетии, хотя события развивались очень медленно. Сейчас трудно даже представить себе, что первая труба Галилея, в которую он наблюдал мир Юпитера, и микроскоп Левенгука были простыми неахроматическими линзами.
Огромным препятствием в деле ахроматизации было отсутствие хорошего флинта. Как известно, ахроматизация требует двух стекол: крона и флинта. Последний представляет стекло, в котором одной из основных частей является тяжелая окись свинца, обладающая непропорционально большой дисперсией.
В 1824 г. громадный успех микроскопа дала простая практическая идея Саллига, воспроизведенная французской фирмой Шевалье. Объектив, раньше состоявший из одной линзы, расчленен на части, его начали изготовлять из многих ахроматических линз. Так умножено число параметров, дана возможность исправления ошибок системы, и стало впервые возможным говорить о настоящих больших увеличениях - в 500 и даже 1000 раз. Граница предельного видения передвинулась от двух к одному микрону. Далеко позади оставлен микроскоп Левенгука.
В 70-х годах 19 века победоносное шествие микроскопии двинулось вперед. Сказавшим был Аббе (Е. Abbe).
Достигнуто было следующее:
Во-первых, предельное разрешение передвинулось от полумикрона до одной десятой микрона.
Во-вторых, в построении микроскопа вместо грубой эмпирики введена высокая научность.
В-третьих, наконец, показаны пределы возможного с микроскопом, и эти пределы завоеваны.
Сформирован штаб ученых, оптиков и вычислителей, работающих при фирме Цейсса. В капитальных сочинениях учениками Аббе дана теория микроскопа и вообще оптических приборов. Выработана система измерений, определяющих качество микроскопа.
Когда выяснилось, что существующие сорта стекол не могут удовлетворить научным требованиям, планомерно созданы были новые сорта. Вне тайн наследников Гинана - Пара-Мантуа (наследники Бонтана) в Париже и Ченсов в Бирмингаме - созданы были вновь методы плавки стекла, и дело практической оптики развито до такой степени, что можно сказать: Аббе оптическим снаряжением армии почти выиграл мировую войну 1914-1918 гг.
Наконец, призвав на помощь основы волновой теории света, Аббе впервые ясно показал, что каждой остроте инструмента соответствует свой предел возможности. Тончайший же из всех инструментов - это длина волны. Нельзя видеть объекты меньше полудлины волны - утверждает дифракционная теория Аббе,- и нельзя получить изображения меньше полудлины волны, т.е. меньше 1/4 микрона. Или с разными ухищрениями иммерсии, когда мы применяем среды, в которых длина волны меньше,- до 0,1 микрона. Волна лимитирует нас. Правда, лимиты очень мелкие, но все же это лимиты для деятельности человека.
Физик-оптик чувствует, когда на пути световой волны вставлен объект толщиной в тысячную, в десятитысячную, в отдельных случаях даже в одну стотысячную длину волны. Сама длина волны измерена физиками с точностью до одной десятимиллионной своей величины. Можно ли думать, что оптики, соединившие свои усилия с цитологами, не овладеют той сотой длины волны, которая стоит в поставленной ими задаче? Найдутся десятки способов обойти предел, поставленный длиной волны. Вам известен один из таких обходов, так называемый метод ультрамикроскопии. Если невидимые в микроскоп микробы расставлены далеко друг от друга, то можно осветить их сбоку ярким светом. Как бы они малы ни были, они заблестят, как звезда на темном фоне. Форму их нельзя определить, можно лишь констатировать их присутствие, но и это часто чрезвычайно важно. Этим методом широко пользуется бактериология.
Труды английского оптика Дж. Сиркса (1893) положили начало интерференционной микроскопии. В 1903 г. Р. Жигмонди (R. Zsigmondy) и Зидентопф (Н. Siedentopf) создали ультрамикроскоп, в 1911 г. Саньяком (М. Sagnac) был описан первый двухлучевой интерференционный микроскоп, в 1935 г. Зернике (F. Zernicke) предложил использовать метод фазового контраста для наблюдения в микроскопах прозрачных, слабо рассеивающих свет объектов. В середине XX в. был изобретен электронный микроскоп, в 1953 г. финским физиологом Вильской (A. Wilska) был изобретен аноптральный микроскоп.
Большой вклад в разработку проблем теоретической и прикладной оптики, усовершенствование оптических систем микроскопа и микроскопической техники внесли М.В. Ломоносов, И.П. Кулибин, Л.И. Мандельштам, Д.С. Рождественский, А.А. Лебедев, С.И. Вавилов, В.П. Линник, Д.Д. Максутов и др.
Литература:
Д.С. Рождественский Избранные труды. М.-Л., "Наука", 1964.
Рождественский Д.С. К вопросу об изображении прозрачных объектов в микроскопе. - Тр. ГОИ, 1940, т. 14
Соболь С.Л. История микроскопа и микроскопических исследований в России в XVIII веке. 1949.
Clay R.S., Court T.H. The history of the microscope. L., 1932; Bradbury S. The evolution of the microscope. Oxford, 1967.
загрузка...
www.vita-club.ru
Начало истории изготовления линзоподобных деталей лежит в глубокой древности [1, 2]. Среди других большая, хорошо сохранившаяся плосковыпуклая линза из горного хрусталя диаметром 55 мм в оправе (фокусное расстояние около 150 мм), изготовленная 2500 лет до нашей эры, была обнаружена Г. Шлиманом в 1890 году при его знаменитых раскопках Трои. Линзы из искусственно созданного материала – стекла, изготовленные в 600–400 гг. до Р.Х., были найдены в Саргоне (Месопотамия). Двояковыпуклая линза из горного хрусталя диаметром 500 мм, изготовленная в 500 году, найдена в Швеции в 1877 году. Список найденных античных линз весьма обширен. Однако, о возможном применении этих линз можно лишь догадываться. Первое достоверное описание способности линз создавать увеличенное изображение предмета мы находим в трудах монаха францисканского ордена Роджера Бэкона (1214–1294), выпускника Оксфордского университета, одного из замечательных ученых и мыслителей XIII века.
В одном из своих трудов Р. Бэкон писал: “Прозрачные тела могут быть так обработаны, что отдаленные предметы покажутся приближенными и наоборот, так что на невероятном расстоянии будем читать малейшие буквы и различать мельчайшие вещи, а также будем в состоянии усматривать звезды, как пожелаем”. Из этих строк со всей очевидностью следует, что автор прекрасно понимал свойства линз, выполненных в виде обратного телеобъектива, и понимал, что если фокальный отрезок , то оптическая сила , при этом линза превращается в однокомпонентную зрительную трубу, о чем, собственно, и пишет Р. Бэкон в конце фразы. Спустя более трех столетий подобную зрительную трубу, но из двух линзовых компонентов, изготовил выдающийся итальянский ученый Галилео Галилей (1564–1642).
Практически одновременно с изобретением зрительной трубы был изобретен и сложный микроскоп. Один из претендентов на изобретение сложного микроскопа – Г. Галилей обнаружил, что его зрительная труба в сильно раздвинутом состоянии позволяет сильно увеличивать мелкие предметы. Факт изобретения микроскопа Галилеем подтверждает его биограф Д. Вивиани: “Изобретение телескопа привело великого мужа к изобретению микроскопа … В 1612 году он послал один свой микроскоп польскому королю Казимиру”. Термин “микроскоп”, насколько известно, впервые был применен в 1625 году членом римской Академии Г. Фабером именно к построенному Галилеем прибору.
Известно, что микроскопы, изготовленные Корнелием Дребелем из Алькмара в Голландии, показывали предмет в перевернутом виде. Отсюда следует, что микроскопы Дребеля состояли из двух положительных (выпуклых) линз, дающих перевернутое изображение наблюдаемого предмета. В своей “Диоптрике” Христиан Гюйгенс писал: “В 1621 году Дребель, голландец, живший в Лондоне, был известен как обладатель таких сложных микроскопов и считался всеми их изобретателем”. Сложный микроскоп, состоящий из двояковыпуклого объектива и двояко- или плосковыпуклого окуляра, явился прототипом современных сложных микроскопов. Обладая, однако, большим и неустранимым (при техническом уровне того времени) хроматизмом, сложный микроскоп не был в состоянии конкурировать с простой лупой.
Около 1660 года итальянец делла Торре изготовлял шарообразные лупы (застывшие капли стекла), диаметр которых доходил до 0,17 мм, дававшим 1500-кратное увеличение изображения.
Наиболее знаменитой личностью в истории микроскопии является Антони ван Левенгук (1632–1723 гг.), живший в голландском городе Дельфте, строивший и применявший для исследований простые микроскопы (по сути дела, короткофокусные лупы) с увеличением образованного изображения до трехсот крат [3]. Левенгук впервые наблюдал и описал мир микроскопических организмов, в том числе и одноклеточных (бактерий). Для наблюдения движения кровяных телец в капиллярных сосудах хвоста молодого угря он даже построил специальный микроскоп. В 1698 году Левенгука посетил русский царь Петр I, находившийся в то время в Голландии. Несомненно, что сам Петр и его соратники закупили и привезли из своих заграничных поездок ряд простых и сложных микроскопов для организованной в Петербурге Кунсткамеры. После создания Академии наук микроскопы перешли в ее ведение. Здесь они были под рукой у молодых русских ученых, возглавляемых М.В. Ломоносовым. Они могли поэтому не только по достоинству оценить значение этого оптического инструмента для развития биологии, медицины и других естественных наук, но и сами принять участие в его усовершенствовании.
В 1747 году действительный член Петербургской академии наук Леонард Эйлер (1707–1783) предложил идею создания ахроматического объектива микроскопа. Фундаментальная работа Л. Эйлера в области геометрической оптики нашла отражение в его трехтомной “Диоптрике”, вышедшей в 1769–1771 годах. О вопросах, рассмотренных в “Диоптрике”, дает достаточно конкретное представление опубликованная в 1774 году Н. Фуссом – учеником Л. Эйлера – работа: “Подробное наставление по приведению телескопов самых разнообразных видов к наивысшей возможной степени совершенства, извлеченное из диоптрической теории Г.Эйлера старшего и доступно изложенное для всех мастеров этого дела. С описанием микроскопа, который можно считать наиболее совершенным в своем роде и который может давать любые желательные увеличения”. В 1784 году была опубликована работа действительного члена Петербургской академии наук Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724–1802): “Ахроматический микроскоп новой конструкции, пригодный для рассматривания объективов в свете, отраженном их поверхностью”. В этом же году микроскоп Ф. Эпинуса был изготовлен. Воспитатель императора Александра I Ф.Ц. Лагарк видел этот инструмент и в письме к Ж.М. Фавру от 8 августа 1785 года об Эпинусе и его инструменте писал: “Он только что усовершенствовал микроскоп до такой степени, что больше сделать невозможно. Каждый предмет виден с необыкновенной ясностью и сохраняет свою природную окраску. Это еще не единственное преимущество. Микроскоп приделан к подзорной трубе в три фута длиною, им можно управлять с необыкновенной легкостью, и, укорачивая или удлиняя трубу, можно видеть весь предмет или только его часть, достигая произвольного увеличения, если желают с большим или меньшим вниманием рассмотреть какую-либо часть его. Наконец, так как объектив находится на расстоянии 10 дюймов от предмета, а наблюдатель на три фута позади, то вы понимаете, сударь, что можно наблюдать за всеми движениями насекомых, не пугая их. Это изобретение представляет великую возможность для отечественной истории и наделает много шуму, когда с ним более познакомятся”. Это, весьма лаконичное, но предельно четкое, описание микроскопа Ф. Эпинуса дает ясное представление о принципиальной схеме, положенной в основу его построения. Отсюда следует, что в укомплектованном шестью сменными объективами ахроматическом микроскопе Ф. Эпинуса предусмотрена возможность плавного изменения увеличения за счет изменения расстояния между предметом и изображением (за счет изменения длины тубуса). Таким образом, благодаря трудам Л. Эйлера, Н. Фусса, Ф.У.Т. Эпинуса и других именно в России была разработана и осуществлена первая в мире конструкция ахроматического микроскопа переменного увеличения. Идея изменения увеличения микроскопа путем изменения длины его тубуса не получила продолжения в последующих схемах. Тем не менее, сам факт ее осуществления имеет огромное значение для понимания развития прикладной оптики.
Работа по изготовлению двух ахроматических микроскопов была поручена немецкому оптику И.Г. Тидеману из Штутгарта на средства, отпущенные университетом в Дерпте (ныне Тарту). В 1808 году эти инструменты были изготовлены. Один из ахроматических микроскопов Эпинуса сохранился до наших дней и находится в Политехническом музее в Москве (принадлежит Институту истории, естествознания и техники РАН). Наиболее короткофокусный ( =13 мм) из шести объективов микроскопа имеет числовую апертуру А=0,18, которой соответствует полезное увеличение Г=180?. Практически увеличение можно было довести до 520?, а при раздвинутом тубусе – даже до 720?. Такое бесполезное увеличение делает изображение несколько нерезким. Теоретическая разрешающая способность микроскопа определяется в 640 линий на мм; практически он свободно разрешает 400 линий на мм.
В 1807 году голландский оптик ван Дейль опубликовал описание сконструированного им ахроматического микроскопа, который западноевропейские историки обычно признают первым удовлетворительным микроскопом-ахроматом. Однако, он во всех отношениях уступает микроскопу Эпинуса. Объективы ван Дейля, изготовленные в 1813 году, имеют апертуру не более 0,13 и разрешают 200 линий на мм. Еще менее совершенными были ахроматические микроскопы, которые в 1811 году начал выпускать известный оптик Иозеф Фраунгофер (1787–1826 гг.).
В первой половине XIX века возникло большое число оптических фирм, выпускающих микроскопы. Зачатки производства микроскопов в России, возникшие в XVIII веке, постепенно заглохли в начале XIX столетия. Впрочем, есть свидетельства, что около 1820 года оптическая мастерская при Казанском университете изготовляла микроскопы высокого качества. Однако, оптическая промышленность в России не развивалась, поскольку правительство предпочитало импортировать оптические приборы из-за рубежа.
Развитию микроскопии много содействовал итальянский оптик, ботаник и астроном Джамбаттиста Амичи (1786–1863 гг.). В 1827 году он разработал и изготовил объектив-ахромат с числовой апертурой 0,60 при хорошей коррекции аберраций. В 1844 году Амичи начал опыты применения водной и масляной иммерсии, приведшие в 1850 году к созданию объектива с водной иммерсией при апертуре 1,30. Однако, современные объективы с масляной иммерсией с числовой апертурой 1,50 стали возможными только после выдающихся работ немецкого оптика Эрнста Аббе (1840–1905 гг.), установившего закон синусов, позволяющий устранять кому в пределах малой величины предмета (в пределах малого линейного поля), что очень важно именно при больших апертурах. Кроме того, на основании развитой им теории образования изображения в микроскопе он внес ясность в вопрос о разрешающей способности микроскопа. Под его руководством в 1872 году была рассчитана и изготовлена фирмой “К. Цейсс” в Йене серия первоклассных микрообъективов-ахроматов с различной апертурой до апертуры 1,50. В 1886 году фирма “К. Цейсс”, руководимая Аббе, выпустила серию из восьми апохроматов (с компенсационными окулярами), а в 1888 году она создала апохромат с монобромнафталиновой иммерсией при апертуре 1,60. В 1938 году Г.Богехольд закончил работы по расчету серии объективов-планахроматов, отличающихся плоской поверхностью изображения. Характеризуя роль творчества Аббе, академик Д.С. Рождественский писал: “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 объекта меньше полудлины волны – утверждает дифракционная теория Аббе, и нельзя получить изображение меньше полудлины волны, то есть меньше 1/4 микрона … Таким образом, гением Аббе установлено сознательное творчество в микроскопии и достигнуты пределы возможного”. Теория образования изображения Э. Аббе получила развитие в трудах отечественных ученых Л.И. Мандельштама и академика Д.С. Рождественского. Д.С. Рождественский ввел понятие об относительной некогерентности освещения, выражаемой отношением числовых апертур осветительного устройства (конденсора) и объектива микроскопа. Для создания оптимальных условий освещения в микроскопе сотрудником предприятия “К. Цейсс” Р. Рихтером еще в 1939 году было запатентовано осветительное устройство, содержащее панкратическую систему, назначение которой состояло в плавном изменении апертуры осветительного пучка при одновременном изменении величины освещаемого участка наблюдения [4]. Отечественный вариант такого осветительного устройства серийно выпускался под шифром ПК-3 и входил в комплект исследовательского биологического микроскопа МБИ-15 [5]. И, тем не менее, проблема согласования параметров осветительной системы микроскопа с параметрами сменных объективов и сегодня представляется весьма непростой. Начиная с 30-х годов прошлого столетия, сначала на заводе “Прогресс”, а затем на “ЛОМО” разрабатывались и серийно выпускались все известные типы микроскопов и принадлежностей к ним.
Крупный вклад в становление и развитие отечественного микроскопостроения внесли Д.С. Рождественский, В.П. Линник, Е.Г. Яхонтов, А.Н. Захарьевский, А.И. Тудоровский, Г.Г. Слюсарев, В.Н. Чуриловский.
Выпускаемые отечественной промышленностью микроскопы по своим оптическим характеристикам и конструктивному исполнению не уступают лучшим образцам передовых зарубежных фирм. В том большая заслуга Л.Н. Андреева, А.П. Грамматина, В.А. Зверева, Д.Ю. Гальперна, С.А. Гершгорина, Т.А. Ивановой, Д.Д. Максутова, В.А. Панова, Н.И. Полякова, М.М. Русинова, Г.Д. Рабиновича, Г.Е. Скворцова, Т.И. Соколовой, Д.Н. Фролова и др., которые своими теоретическими и экспериментальными исследованиями способствовали дальнейшему успешному развитию отечественной микроскопии.
www.labor-microscopes.ru
Микроскоп — это оптический прибор, предназначенный для получения увеличенных изображений каких-либо объектов или деталей структуры этих объектов, которые не видимы невооруженным глазом.Вообще микроскоп представляет собой систему, состоящую из двух линз, но для того чтобы получить полностью ожидаемую картинку или изображение, необходимы еще некоторые компоненты, благодаря которым обеспечивается наибольший комфорт для ученого при исследовании.
Таким образом, само устройство микроскопа включает в себя достаточное количество различных составляющих. Микроскоп крепится на массивном штативе (его еще называют основанием). Данное основание снабжено специальным кронштейном, внутри которого располагается коробка микромеханизма, чтобы можно было осуществить тонкую настройку тубуса микроскопа. Помимо этого, коробка микромеханизма имеет определенную направляющую для кронштейна конденсора. С верхней стороны к этой же коробке микромеханизма с помощью особого кронштейна прикреплен вращающийся центрирующий столик.
Дугообразный тубусодержатель в нижней своей части снабжен микровинтом с двумя барашками, предназначенными для движения тубуса. Верхняя часть тубусодержателя снабжена снизу головкой для крепления револьвера с гнездами для объективов, которые бывают с разным значением увеличения, а сверху — специальным посадочным гнездом для крепления сменных тубусов.
Тубусодержатель — это насадка, заканчивающаяся головкой, на которой крепится монокулярный или бинокулярный тубус. На предметном столике располагается устройство, позволяющее перемещать рассматриваемый препарат в перпендикулярном направлении относительно друг друга.
Отсчет данного передвижения препарата в том или ином направлении может быть произведен по шкалам с точностью до 0,1 мм. Присутствует на тубу-содержателе микровинт тубуса, который позволяет регулировать четкость изображения.
Для того чтобы исследование препаратов становилось более комфортным в плане удобства просмотра изображения, под предметным столиком располагается зеркало, с помощью которого направляются лучи света на препарат посредством отражения от данного зеркала.
Впервые о способности системы, состоящей из двух линз, увеличивать изображение предметов узнали оптики-ремесленники Нидерландов и Северной Италии в XVI в. Существует мнение, что примерно в 90-е гг. XVI в. был построен первый прибор, напоминающий микроскоп, изобретателем считается 3. Янсен в Нидерландах.
Сначала появились простые микроскопы, которые состоят из одного объектива, а уже позже стали сооружаться наиболее сложные микроскопы, в которых, помимо объектива, присутствовал также и окуляр. Достаточно быстрое распространение и совершенствование микроскопа началось после 1610 г., когда Г. Галилей стал использовать после небольшого усовершенствования собственноручно сконструированную трубку как своеобразный микроскоп, изменяя расстояние между объективом и окуляром.
Немного позднее (1624), добившись изготовления короткофокусных линз, Г. Галилей смог значительно уменьшить габариты своего микроскопа. Можно считать, что так называемый микроскоп, созданный Г. Галилеем, являлся как бы предпосылкой к созданию современных и функциональных приборов.
Впервые термин «микроскоп» был предложен в 1625 г. Римской «Академии красивых» И. Фабером. А первые успехи, связанные с применением микроскопа в научных биологических исследовательских работах, были достигнуты Р. Гуком, первым ученым, который смог описать растительную клетку при помощи микроскопа (1665).
А. Левенгук в своих работах с помощью того же самого микроскопа смог обнаружить различные простейшие организмы, детали строения костной ткани (1673—1677).
В 1668 г. Е. Дивини, присоединив к окуляру полевую линзу, изобрел окуляр современного типа.
В 1673 г. Я. Гавелий ввел микровинт, а другой ученый Г. Гертель предложил поместить под предметный столик небольшое зеркало. Таким образом, микроскоп стали монтировать из тех основных деталей, которые в нынешнее время входят в состав современного микроскопа.
В начале XVIII в. микроскоп появился в России. 1827 г. — Б. Амичи впервые разработал иммерсионный объектив для микроскопа.
Конец XVIII — начало XIX вв. — предложена конструкция и дан расчет ахроматических объективов.
1850 г. — английский оптик Г. Сорби первым сконструировал микроскоп, предназначенный для наблюдения объектов в поляризованном свете.
1903 г. — Р. Жигмонди и Г. Зидентопф создали ультрамикроскоп.
1911 г. — Ф. Саньяк смог описать первый двулучевой интерференционный микроскоп. В середине XX в. был изобретен электронный микроскоп.
Отраженные зеркалом лучи света собираются конденсором, который в свою очередь состоит из нескольких линз, вмонтированных в металлическую оправу, которая закрепляется винтом в гильзе специального кронштейна конденсора и по сути представляют собой светосильный короткофокусный объектив. Светосила (апертура) конденсора зависит от количества линз.
Конденсор для отраженного света представляет собой кольцеобразную зеркальную или же зеркально-линзовую систему вокруг объектива, так называемый эпиконденсор.
В промежутке между зеркалом и самим конденсором располагается ирисовая диафрагма (ирис-диафрагма), имеется еще одно название: апертурная диафрагма.
Поскольку степень ее раскрытия регулирует апертуру конденсора, которая всегда должна располагаться несколько ниже апертуры применяемого объектива.
Также диафрагма в конденсоре может располагаться между его отдельными линзами. После прохождения лучами всей данной сложной системы они попадают на предметный столик, а точнее, на исследуемый препарат, тем самым освещая его.
Микроскоп получил достаточно широкое распространение во многих сферах жизнедеятельности, гак, он широко применяется в различных научных целях, исследовательских дисциплинах, в медицине и во многих других сферах.
В связи с этим появилось много разновидностей обычного микроскопа, в зависимости от того, где он используется: биологический, стереоскопический, контактный, темнопольный, фазово-контрастный, интерференционный, ультрафиолетовый, инфракрасный, поляризационный, люминесцентный, рентгеновский, сканирующий, телевизионный, голографический, электронный, микроскопы сравнения. Все они, по сути дела, созданы на базе обычного микроскопа.
enciklopediya-tehniki.ru
Оглавление
Хронология событий 3
1. История оптического микроскопа 4
2. История электронного микроскопа 7
3. История сканирующего зондового микроскопа 9
Биографический справочник 12
Список используемой литературы 16
1590 | Голландские изготовители очков Ганс Янсен и его сын Захарий Янсен изобрели оптический микроскоп. |
1609 | Галилео Галилей изобретает составной микроскоп с выпуклой и вогнутой линзами. |
1624 | Галилей показывает оккиолино принцу Федерику - основателю Национальной академии деи Линчеи. |
1625 | Джованни Фабер предлагает для нового изобретения Галилея термин микроскоп по аналогии со словом телескоп. |
1664 | Роберт Гук публикует свой труд «Микрография». |
к. 1660-х | Христиан Гюйгенс создаёт окуляр Гюйгенса. |
1674 | Антони ван Левенгук улучшает микроскоп до возможности увидеть одноклеточные организмы. |
1784 | Создание микроскопа Эпинуса. |
1860-е | Эрнст Аббе открывает число Аббе и первым разрабатывает теорию микроскопа, что становится прорывом в технике создания микроскопов. |
1924 | Луи де Бройль высказывает гипотезу о волнах де Бройля. |
1926 | Ханс Буш создаёт магнитную электронную линзу. |
1931 | Руска и Кнолл создают первый ПЭМ. |
1981 | Герд Бинниг и Генрих Рорер разрабатывают сканирующий туннельный микроскоп. |
1985 | Герд Бинниг, Куэйт и Гербер создают сканирующий атомно-силовой микроскоп. |
Оптический микроскоп - (от греч. mikros – малый, skopeo - смотрю) - оптический прибор для получения увеличенных изображений малых объектов и их деталей. Доподлинно не известно, кто был создателем первого в мире микроскопа, однако наиболее ранние сведения о микроскопе связывают с 1590 годом и жителями голландского города Мидделбург Захарией Янсеном и Иоанном Липперсгеем, занимавшимися изготовлением очков. Созданный Янсеном прибор представлял собой трубку с двумя выпуклыми линзами, а выдвижной тубус позволял производить фокусировку на объекте. Изобретение голландца, дававшее увеличение в 3-10 раз, считается первым или одним из первых микроскопов.
Рис. 1. Микроскоп Галилея |
Позже, а именно в 1609 году во Флоренции, итальянский физик Галилео Галилей создал оккиолино – подзорную трубу, которую применял в роли микроскопа. Использование более короткофокусных линз позволило Галилею создать уменьшенную копию своего изобретения, которую он презентовал в 1624 году в Академии деи Линчеи. Через год, в 1625, друг Галилея Джованни Фабер предложил называть оккиолино микроскопом. Вскоре термин закрепился за всеми приборами подобного рода.
В это время в Италии, Дании и Англии стали закладываться основы современной микроскопии. Так в конце 1660 годов голландским механиком Христианом Гюйгенсом ван Зёйлихемом был создан первый составной окуляр, сегодня известный как окуляр Гюйгенса. Прибор состоял из 2 плоско-выпуклых линз в цилиндрической оправе, направленных выпуклыми сторонами к падающему свету. Окуляр Гюйгенса позволял укоротить трубку микроскопа.
Рис. 2. Микроскоп Роберта Гука |
Во многом стремительное развитие микроскопии связано с деятельностью английского естествоиспытателя Роберта Гука. В сентябре 1664 года им была опубликована книга под названием «Micrographia», посвященная наблюдениям, сделанным с помощью различного рода линз. Книга получила широкую известность в первую очередь благодаря великолепным гравюрам, изображающим насекомых и некоторые другие объекты под большим увеличением.
Рис. 3. Микроскоп Левенгука |
Вдохновлённый трудом Гука нидерландский натуралист Антони ван Левенгук использует созданные собственными руками микроскопы для зоологических исследований. Микроскопы Левенгука имели очень простую конструкцию: пластинка с линзой в центре, однако прибор позволял увидеть бактерии, эритроциты, сперматозоиды, строение глаз насекомых. Сохранившиеся до сегодняшнего дня образцы микроскопов, созданных нидерландским конструктором, дают увеличение в 275 раз, что существенно превосходило аналоги.
Во второй половине XVII века к конструкции микроскопа добавляются полевая линза, микрометрический винт, под столиком микроскопа помещается зеркало.
В начале XVIII века микроскопы получили широкое распространение в России. Член Петербургской академии наук математик Леонард Эйлер в 1747 году высказал идею создания микроскопа с ахроматическим объективом. В 1784 году, основываясь на работах российского и германского физика Франца Ульриха Марии Теодора Эпинуса, такой микроскоп был создан. Последующее усовершенствование ахроматических микроскопов позволило получать увеличение более 500 крат.
Рис. 4. Микроскоп Эпинуса |
В 1860-х годах немецкий физик-оптик Эрнст Карл Аббе разработал дифракционную теорию формирования изображений несамосветящихся объектов, определил предел разрешения микроскопа, рассчитал высококачественные ахроматические и апохроматические объективы. Это дало серьёзную теоретическую основу для изготовления оптических приборов, тогда как ранее построение микроскопов основывалось на методе проб и ошибок. Теория Аббе лежит в основе современного микроскопостроения.
Рис. 5. Электронный микроскоп |
Электронный микроскоп – прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объекта, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30-1000 кэВ и более) в условия глубокого вакуума.
Основы корпускулярно-лучевых оптических приборов были заложены ирландским математиком Уильямом Роуэном Гамильтоном в конце двадцатых начале тридцатых годов XIX века. Он установил существование аналогии между прохождением световых лучей в оптически неоднородных средах и траекториями частиц в силовых полях.
В 1924 году французский физик-теоретик Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что корпускулярно-волновой дуализм присущ не только фотоном, но вообще всем частицам, в том числе и электронам. После этого стала очевидна целесообразность создания электронного микроскопа.
Через 2 года, в 1926, немецкий физик Ханс Буш исследовал фокусирующие свойства осесимметричных полей и разработал магнитную электронную линзу. Она представляла собой устройство, создающее магнитное или электрическое поле для фокусировки электронных пучков, их формирования и получения электронно-оптических изображений.
Первый просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) был создан 9 марта 1931 года немецкими инженерами Эрнстом Руской и Максом Кноллом. Этот прибор был предшественником современного оптического просвечивающего электронного микроскопа. В ПЭМ изображение от образца толщиной порядка 0,1 мкм формируется в результате воздействия пучка электронов с веществом образца с последующим увеличением магнитными линзами и регистрацией на флуоресцентном экране, фотоплёнке или сенсорном приборе.
В конце 30-х - начале 40-х были построены первые растровые электронные микроскопы (РЭМ), работающие на принципе сканирования, то есть последовательного от точки к точке перемещения тонкого электронного пучка по объекту. Массовое применение этих приборов началось в 1960-х годах.
Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) – микроскоп, предназначенный для получения изображения поверхности и её локальных характеристик.
История зондовой микроскопии берет истоки в 80-х годах прошлого века. Все началось с того, что в 1982 году сотрудниками лаборатории IBM в Рюмликоне в Швейцарии Генрихом Рорером и Гердом Беннингом был создан первый туннельный микроскоп.
В то время уже существовали методы электронной микроскопии, которые используют и сейчас. Но они имеют ряд существенных недостатков. Прежде всего, для исследования и диагностики поверхности образца необходимо создание вакуума, а также есть ограничения в размерах исследуемых объектов. Это неудобно, и ограничивает в выборе объектов исследования. Например, нельзя исследовать жидкие объекты. К тому же получение высокого разрешения этим методом является весьма критичным, так как поверхность подвергается облучению пучка электронов с энергией порядка 300 КэВ, что может вызвать ее частичное разрушение.
Исследования поверхности объекта туннельным микроскопом тоже приходится делать в вакууме. Но в отличие от электронной микроскопии туннельный микроскоп позволяет вести исследования с большим разрешением. Принцип работы туннельного зондового микроскопа основан на эффекте протекания тока между металлической иглой и проводящим образцом во внешнем электрическом поле, этот эффект еще называют туннелированием электронов через потенциальный барьер, роль которого выполняет пространство между иглой и проводящей поверхностью. Зонд подводится к поверхности на расстояние порядка нескольких ангстрем, то есть нескольких десятков нанометров.
Рис. 7. Принципиальная схема работы АСМ. |
Логическим витком в развитии зондовой микроскопии стало изобретение в 1986 году Гердом Беннингом, Келвином Куйтом, Кристофером Гербером атомно-силового микроскопа. Характерным отличием его от сканирующего туннельного микроскопа стало то, что для проведения исследований не требуется вакуум, их можно проводить и в атмосфере, заранее заданном газе, сквозь пленку жидкости. В основе работы атомно-силового микроскопа лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью образца. Датчик, с помощью которого осуществляется регистрация, представляет собой упругую консоль, которую еще называют контилевером, с зондом на конце. Упругость необходима для того, чтобы сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводила к изгибу консоли, величина которого регистрируется. Таким образом, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью. Атомно-силовой микроскоп измеряет отклонения зонда как в направлении, перпендикулярном поверхности объекта, так и в плоскости поверхности, в направлениях, параллельных ей. Получение изображения поверхности напрямую связано с изгибом упругой консоли, который регистрируется оптическим методом. Этот метод заключается в следующем. На консоль датчика, покрытую специальным зеркальным алюминиевым слоем для наилучшего отражения, фокусируется излучение полупроводникового лазера, которое, отражаясь от поверхности консоли, попадает на фотодетектор. Его роль выполняет специальный четырехсекционный полупроводниковый фотодиод.
При деформации изгиба консоли луч лазера будет смещаться относительно секций фотодиода, а его разностный сигнал и будет показывать амплитуду смещения в ту или иную сторону. Существует два режима работы микроскопа. При сканировании образца, при котором изгиб консоли поддерживается равным определенному значению, зонд перемещается вдоль поверхности. Напряжение, возникающее на электроде, записывается в память компьютера. Пространственное разрешение определяется радиусом закругления зонда и чувствительностью системы, к изменению изгиба консоли. В другом режиме работы сама поверхность перемещается относительно зонда.
Современная атомно-силовая микроскопия активно используется для исследования свойств полупроводниковых и других материалов, например, распределения электрического потенциала поверхности, в том числе диэлектрических материалов, а также позволяет исследовать биологические объекты. Например, изучается изменение форм клеток крови, в основном эритроцитов, и строение их мембран при взаимодействии с вирусами, исследуются пленки Легмюра-Блоджетт, поверхности CD и DVD дисков, интегральные микросхемы. Методика АСМ используется и в нанолитографии. Так в 1989 году сотрудник компании «IBM» Дональд Эйглер с помощью определенных движений острием сканирующего микроскопа выложил атомами ксенона на грани (110) монокристалла никеля название своей фирмы. Таким образом, можно сказать, что силовая зондовая микроскопия является одним из наиболее современных методов исследования поверхности объектов с высоким пространственным разрешением, а также мощным инструментом нанотехнологии при создании структур с нанометровыми размерами.
Немецкий физик-оптик, астроном, изобретатель технологии важных разделов оптико-механической промышленности, автор теории образования изображений в микроскопе.
Немецкий физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1986 года за изобретение сканирующего туннельного микроскопа. Разработки Биннига расширили возможности нанотехнологий, позволив не только визуализировать отдельные атомы, но и манипулировать ими.
Французский физик-теоретик, один из основоположников квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике за 1929 год, член Французской академии наук (с 1933 года) и её непременный секретарь (с 1942 года), член Французской академии (с 1944 года). Луи де Бройль является автором работ по фундаментальным проблемам квантовой теории. Ему принадлежит гипотеза о волновых свойствах материальных частиц (волны де Бройля или волны материи), положившая начало развитию волновой механики. Он предложил оригинальную интерпретацию квантовой механики (теория волны-пилота, теория двойного решения), развивал релятивистскую теорию частиц с произвольным спином, в частности фотонов (нейтринная теория света), занимался вопросами радиофизики, классической и квантовой теориями поля, термодинамики и других разделов физики.
yaneuch.ru
