Будова та принцип роботи оптичного мікроскопа, визначення розмірів малих об’єктів за допомогою оптичного мікроскопа

Мета роботи. Вивчити оптичну схему і будову світлового мікроскопа, визначити розміри еритроцитів крові.

Прилади і приладдя: мікроскоп біологічний, окулярно-гвинтовий мікрометр, камера Горяєва, гістологічний препарат.

Література

1. Грабовский Р.И. Курс физики. Учебное пособие для с.-х. вузов – М., 1980. – 607 с.

2. Розумнюк В.Т., Якименко І.Л. Фізика. Основні поняття, явища і закони. – Біла Церква, 2004. – 71 с.

 

Мікроскоп – це прилад, що використовується для візуального спостереження і вивчення об'єктів, невидимих неозброєним оком: мікроорганізмів, тканин і окремих клітин, кристалів солей тощо. Для досліджень в біології, біофізиці, ветеринарії використовують біологічні мікроскопи типу МБН, МБР, БМ, МБС тощо, принцип дії яких однаковий, але вони відрізняються величи­нами збільшення і роздільної сили.

 

Оптична схема мікроскопа

Оптична схема найпростішого мікроскопа (рис. 16.1) включає в себе дві збірні лінзи, розміщені на одній оптичній осі:

короткофокусну – об'єктив (ОБ) з фокус­ною відстанню f_об і довгофокусну – оку­ляр (ОК) з фокусною відстанню f_ок. Досліджуваний об'єкт (препарат) розміщу­ють поблизу головного фокуса об'єктива.

Рис. 16.1.

Розглянемо хід променів у мікроскопі, не дотримуючись відносних розмірів.

Для побудови зображення в лінзах користуються двома крайніми точками А і В предмета АВ, зображення якого отримують, користуючись законом подібності предмета і його зображення. Будуючи зображення точки В предмета, користуються двома променями, що ідуть від неї в бік об'єктива: один паралельний головній оптичній осі мікроскопа ОО', другий йде від точки В через центр лінзи.

Перший промінь після заломлення в лінзі проходить через задній фокус, а другий – через лінзу без заломлення. Точка В' перетину цих променів дає зображення точки В предмета АВ.

Аналогічно отримуємо точку А', що є зображенням точки А. Таким чином, відрізок А'В' є зображенням в об'єктиві предмета АВ (рис. 16.1).

Із рисунка 16.1 видно, що зображення А'В' є дійсним (будується за точками перетинання променів), збільшеним і оберненим.

Побудова зображення в окулярі, для якого предметом є зображення А'В' в об'єктиві, проводиться аналогічним чином. Однак через те, що окуляр розміщений відносно об'єктива так, що зображення А'В', яке є для окуляра предметом, знаходиться між переднім фокусом окуляра і самим окуляром, то промені, що йдуть від точки В' через центр окуляра і його задній фокус, не перетинаються при їх продовженні. Тому зображення В" точки В' в окулярі отримується на перетині уявних продовжень променів. Таким чином, в око спо­стерігача після окуляра потрапляють промені, що розходяться, і зображення В" точки В' буде здаватися спостерігачу як таке, що знаходиться на перетині уявних променів, які є продовженням променів, цю розходяться після окуляра.

Опустивши перпендикуляр із точки В" на вісьОО ', отримуємо зображення А"В" препарату АВ в мікроскопі. Воно є збільшеним, оберне­ним (відносно предмета) і уявним.

Уявним називається зображення, побудоване за допомогою пе­ретину продовження променів, що розходяться.

Із схеми ходу променів на рисунку 16.1 видно, що зображення препарату в мікроскопі збільшується двічі – об'єктивом і окуляром. Тому збільшення мікроскопа N дорівнює добуткові збільшення об'єктива Х і окуляра Y:

N = XY.

У підручнику виводяться формули для визначення збільшень Х об'єктива і Y окуляра мікроскопа.

Для об'єктива:

,

де l – відстань від фокуса об'єктива до фокуса окуляра (оптична до­вжина тубуса мікроскопа).

Для окуляра:

,

де L – відстань найкращого бачення (відстань від окуляра до зобра­ження А"В").

Тому для збільшення N мікроскопа, яке показує у скільки разів зображення А"В" більше предмета АВ, маємо:

. (1)

Сучасні біологічні мікроскопи (типу МБН) дозволяють отримати збільшення досліджуваних об'єктів у 2500–3000 разів. Досягнути біль­шого збільшення неможливо внаслідок явища дифракції на вхідному отворі об'єктива, тому що дифракційні картини двох близько розміщених точок препа­рату перекриваються.

Дві точки препарату можна бачити окремо, якщо їх дифрак­ційні зображення взаємно перекриваються не біль­ше, ніж на половину кож­ного із зображень. При більшому перекритті побачити такі точки препарату в мікроскопі окре­мо неможливо.

Найменша відстань Z між двома точками, при якій вони видні окремо, називається роздільною відстанню мікроскопа.

Роздільна відстань мікроскопа визначається за формулою:

, (2)

де n – показник заломлення середовища між препаратом і об'єктивом; – довжина хвилі світла, яким освітлюється препарат; – апертурний кут (кут, що утворюється крайніми променями світ­лового потоку, який падає на об'єктив від точки препарату, що співпадає із головною оптичною віссю мікроскопа).

Величину називають числовою апертурою мікроскопа.

Величину R, обернену роздільній відстані Z, яка характеризує роздільну здатність (здатність оптичної системи передавати зобра­ження без спотворення) називають роздільною силою мікроскопа.

. (3)

Із формули (3) видно, що для збільшення R необхідно, щоб між предметом і об'єктивом було середовище з найбільшим значенням по­казника заломлення n. На практиці цей простір заповнюють деякою рі­диною (наприклад, гліцерином) із значно більшим, порівняно з повіт­рям, показником заломлення n. Цим збільшується числова апертура і роздільна сила об'єктива мікроскопа.

Роздільна сила кращих сучасних біологічних мікроскопів при спостереженні у видимому світлі становить 0,3 мкм ^-1. При цьому гранична роздільна відстаньZ = 0,3 мкм, що приблизно дорівнює половині довжини хвилі світла, яке використовується для освітлення об'єкта дослідження.

Будова мікроскопа

Мікроскоп складається із оптичної і механічної частин. До складу механічної частини входить (рис. 16.2): штатив 1, коробка з мікромеханізмом 2, макро- і мікрометричні гвинти 3 і 3', тубусоутримувач 4, револьверна система 5, предметний столик 6, гвинт 7, оправа 8, конденсор 9, виделка 10 для дзеркала. Ці деталі використовують для кріплення і переміщен­ня оптичних частин мікроскопа.

Макро- і мікрогвинти забезпечують плавне переміщення тубуса в межах 50 мм. Револьверна система має чотири різьбових отвори для кріплення змінних мікрооб'єктів і дозволяє швидко змінювати їх під час мікроскопування. На предметному столику розміщується і закріплюється досліджуваний препарат.

 

 

Рис. 16.2.

Оптична частина мікроскопа складається із освітлювальної і збіль­шувальної систем. Освітлювальна система має дзеркало, що кріпиться у виделці 10 та конденсор 9 з діафрагмою. Дзеркалом направляють світло на препарат, а конденсором фокусують світлові промені на ньому. Діа­фрагмою (отвір із змінним діаметром) регулюють світлосилу конденсо­ра (освітлюваність препарату). Збільшувальна система мікроскопа дає можливість отримувати збільшене, обернене і уявне зображення об'єктів. Вона складається із окуляра 11 і мікрооб'єктива 12, які розмі­щуються в тубусі.

Мікрооб'єктив являє собою короткофокусну оптичну систему декі­лькох збірних лінз, а окуляр – декількох довгофокусних лінз.

Окулярно-гвинтовий мікрометр. Мікроскоп можна використовувати для вимірювання розмірів малих об’єктів. Для цього замість звичайного окуляра до мікроскопа використовують окулярно-гвинтовий мікрометр (окулярний мікрометр). Оптична частина мікрометра складається з лінзи-окуляра, нерухомо закріпленої скляної шкали і рухомої скляної пластинки, на яку нанесені перехрестя та дві вертикальні поділки над ним.

Окулярний мікрометр кріпиться на тубус так, щоб скляна шкала знаходилася в площині зображення об’єкта, що розміщений під мікроскопом. Зображення шкали суміщають із зображенням об’єкта. Пересуваючи за допомогою мікрогвинта рухому пластинку, можна сумістити перехрестя спочатку з одним краєм об’єкта, а потім з іншим. При цьому визначають кількість поділок шкали, що відповідає зображенню об’єкта.

Переміщення пластинки з перехрестям на одну поділку шкали мікрометра відповідає одному повному оберту мікрометричного гвинта. Барабан гвинта розділений на 100 поділок, відповідно, за допомогою окулярного мікрометра можна визначати розміри об’єкта з точністю до 1/100 поділки шкали.

Для визначення розмірів об’єкта треба знати ціну поділки окулярного мікрометра. Під ціною поділки окулярного мікрометра розуміють виражену у міліметрах довжину відрізка, що розглядається у мікроскопі, довжина якого займає одну поділку шкали.

Для визначення ціни поділки використовують предмет, що розглядається у мікроскопі, з відомими розмірами, наприклад камеру Горяєва, яка використовується в біології та медицині для підрахунку кількості формених елементів крові.

Порядок виконання роботи

І. Визначення ціни поділки окулярно-гвинтового мікрометра

1. Покласти на предметний столик мікроскопа камеру Горяєва та отримати її чітке зображення.

2. Повернути камеру так, щоб її вертикальні сторони були паралельні поділкам шкали окулярно-гвинтового мікрометра.

3. Обертаючи барабан мікрогвинта, встановити перехрестя окулярного мікрометра на вертикальну сторону однієї з кліток камери Горяєва.

4. Перемістити перехрестя на N поділок камери Горяєва, підрахувавши при цьому, яка кількість поділок n окулярного мікрометра припадає на них.

5. Визначити ціну поділки окулярного мікрометра за формулою:

s = a N / n.,

де N – кількість поділок камери Горяєва; n – кількість поділок окулярного мікроскопа; а – ціна поділки камери Горяєва (в мм).

ІІ. Визначення розмірів еритроцита крові

1. Покласти на предметний столик мікроскопа гістологічний препарат крові кроля та отримати його чітке зображення.

2. Сумістити перехрестя окулярного мікрометра спочатку з одним, а потім з іншим краєм еритроцита, підрахувавши кількість поділок шкали m, що припадає на еритроцит.

3. Визначити розмір еритроцита X = m s.

4. Провести визначення довжини ще кількох еритроцитів.

5. Визначити середню арифметичну, абсолютну та відносну похибки.

 

Таблиця

№ п/п	а, мм	N	n	s, мм	m	l, мм	Dl, мм	e, %

Контрольні питання

1. Принцип роботи мікроскопа.

2. Оптична схема мікроскопу.

3. Що таке роздільна відстань та роздільна сила мікроскопу.

4. Що таке окулярно-гвинтовий мікрометр.

5. Використання світлового мікроскопа у біології та сільськогосподарській науці.

 

Лабораторна робота № 17