Что понимается под разрешающей способностью микроскопа. Увеличение микроскопа
Предел разрешения – это такое наименьшее расстояние между двумя точками предмета, при котором эти точки различимы, т.е. воспринимаются в микроскопе как две точки.
Разрешающая способность определяется как способность микроскопа давать раздельные изображение мелких деталей рассматриваемого предмета. Она задается формулой:
где А – числовая апертура, l – длина волны света; , где n – показатель преломления среды, в которой находится рассматриваемый объект, U – апертурный угол.
Для изучения структуры мельчайших живых существ необходимы микроскопы с большим увеличением и хорошей разрешающей способностью. Оптический микроскоп ограничен увеличением в 2000 раз и имеет разрешающую способность не лучше 250 нм. Эти значения не годятся для исследования мелких деталей клеток.
118. Ультрафиолетовый микроскоп. Один из способов уменьшения
предела разрешения микроскопа - использование света с меньшей длиной волны. В связи с этим применяют ультрафиолетовый микроскоп, в котором микрообъекты исследуются в ультрафиолетовых лучах. Так как глаз непосредственно не воспринимает этого излучения, то употребляются фотопластинки, люминесцентные экраны или электронно-оптические преобразователи. Другим способом уменьшения предела разрешения микроскопа является увеличение показателя преломления среды, в которой находится микроскоп. Для этого его помещают в иммерсионную жидкость , например, кедровое масло.
119. Люминесцентная (флюоресцентная) микроскопия основана на способности некоторых веществ люминесцировать, т. е. светиться при освещении невидимым ультрафиолетовым или синим светом.
Цвет люминесценции смещен в более длинноволновую часть спектра по сравнению с возбуждающим ее светом (правило Стокса). При возбуждении люминесценции синим светом цвет ее может быть от зеленого до красного, если люминесценция возбуждается ультрафиолетовым излучением, то свечение может быть в любой части видимого спектра. Эта особенность люминесценции позволяет, используя специальные светофильтры, поглощающие возбуждающий свет, наблюдать сравнительно слабое люминесцентное свечение.
Поскольку большинство микроорганизмов не обладают собственной люминесценцией, то прибегают к их окрашиванию растворами флюоресцирующих красителей. Этот метод используется для бактериоскопического исследования возбудителей некоторых инфекций: туберкулеза (ауромин), включений в клетках, образуемых некоторыми вирусами и др. Этот же способ может применяться для цитохимического изучения живых и фиксированных микроорганизмов. В реакции иммуннофлюоресценции с помощью антител, меченных флюорохромами, выявляются антигены микроорганизмов или антитела в сыворотке больных
120. Фазово-контрастная микроскопия. При микроскопии неокрашенных микроорганизмов, отличающихся от окружающей среды только по показателю преломления, изменения интенсивности света (амплитуды) не происходит, а изменяется только фаза прошедших световых волн. Поэтому глаз этих изменений заметить не может и наблюдаемые объекты выглядят малоконтрастными, прозрачными. Для наблюдения таких объектов используют фазово-контрастную микроскопию, основанную на превращении невидимых фазовых изменений, вносимых объектом, в амплитудные, различимые глазом.
Благодаря применению этого способа микроскопии контраст живых неокрашенных микроорганизмов резко увеличивается и они выглядят темными на светлом фоне или светлыми на темном фоне.
Фазово-контрастная микроскопия применяется также для изучения клеток культуры ткани, наблюдения действия различных вирусов на клетки и т. п.
121. Темнопольная микроскопия. Темнопольная микроскопия основана на способности микроорганизмов сильно рассеивать свет. Для темнопольной микроскопии пользуются обычными объективами и специальными темнопольными конденсорами.
Основная особенность темнопольных конденсоров заключается в том, что центральная часть у них затемнена и прямые лучи от осветителя в объектив микроскопа не попадают. Объект освещается косыми боковыми лучами и в объектив микроскопа попадают только лучи, рассеянные частицами, находящимися в препарате. Темнопольная микроскопия основана на эффекте Тиндаля, известным примером которого служит обнаружение пылинок в воздухе при освещении их узким лучом солнечного света.
При темнопольной микроскопии микроорганизмы выглядят ярко светящимися на черном фоне. При этом способе микроскопии могут быть обнаружены мельчайшие микроорганизмы, размеры которых лежат за пределами разрешающей способности микроскопа. Однако темнопольная микроскопия позволяет увидеть только контуры объекта, но не дает возможности изучить внутреннюю структуру.
122. Тепловое излучение является самым распространенным в природе видом электромагнитного излучения. Оно совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества. Тепловое излучение присуще всем телам при любой температуре, отличной от абсолютного нуля.
Полная лучеиспускательная способность тела Е(её еще называют энергетической светимостью) - это величина энергии, испускаемой с единицы площади поверхности тела за 1с. Измеряется в Дж/м 2 с.
Полная лучепоглощательная способность тела А(коэффициент поглощения) – это отношение лучистой энергии, поглощенной телом, ко всей падающей на него лучистой энергии; А – безразмерная величина.
123. Абсолютно черное тело. Воображаемое тело, поглощающее при любой температуре всю падающую на него лучистую энергию, называется абсолютно черным.
Закон Кирхгофа. Для всех тел при данной температуре отношение лучеиспускательной способности E к лучепоглощательной способности A есть постоянная величина, равная лучеиспускательной способности абсолютно черного тела e при той же температуре:
e.
Закон Стефана-Больцмана. Полная лучеиспускательная способность абсолютно черного тела прямо пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры:
e=sT 4 ,
где s– постоянная Стефана-Больцмана.
Закон Вина. Длина волны, соответствующая максимуму излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре:
l т ×T= в,
где в – постоянная Вина.
На законе Вина основана оптическая пирометрия – метод определения температуры раскаленных тел (металла – в плавильной печи, газа – в облаке атомного взрыва, поверхности звезд и т. п.) по спектру их излучения. Именно этим методом была впервые определена температура поверхности Солнца.
124 . Инфракрасное излучение. Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красной границей видимого света (λ= 0,76 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (λ = 1 - 2 мм) называют инфракрасным (ИК). Нагретые твердые и жидкие тела испускают непрерывный инфракрасный спектр.
Лечебное применение инфракрасного излучения основано на его тепловом воздействии. Для лечения используют специальные лампы.
Инфракрасное излучение проникает в тело на глубину около 20 мм, поэтому в большей степени прогреваются поверхностные слои. Терапевтический эффект обусловлен возникающим температурным градиентом, что активизирует деятельность терморегулирующей системы. Усиление кровоснабжения облученного места приводит к благоприятным лечебным последствиям.
125. Ультрафиолетовое излучение. Электромагнитное излучение,
занимающее спектральную область между фиолетовой границей видимого света (λ = 400 нм) и длинноволновой частью рентгеновского излучения (λ = 10 нм), называют ультрафиолетовым(УФ).
Накаленные твердые тела при высокой температуре излучают
заметную долю ультрафиолетового излучения. Однако максимум
спектральной плотности энергетической светимости в соответствии с законом Вина приходится на 7000 К. Практически это означает, что в обычных условиях тепловое излучение серых тел не может служить эффективным источником УФ излучения. Наиболее мощным источником УФ излучения является Солнце, 9 % излучения которого на границе земной атмосферы составляет ультрафиолетовое.
УФ излучение необходимо для работы УФ микроскопов, люминесцентных микроскопов, для люминесцентного анализа. Главное применение УФ излучения в медицине связано с его специфическим биологическим воздействием, которое обусловлено фотохимическими процессами.
126. Термография – это регистрация излучения различных участков
поверхности тела с целью диагностической интерпретации. Определение температуры осуществляется двумя способами. В одном случае используются жидкокристаллические индикаторы, оптические свойства которых очень чувствительны к небольшим изменениям температуры.
Помещая эти индикаторы на тело больного, можно визуально по изменению их цвета определить местное различие температуры.
Другой метод основан на использовании тепловизоров , в которых используются чувствительные приемники инфракрасного излучения, например, фотосопротивления.
127. Физиологические основы термографии . Физиологические процессы, происходящие в организме человека, сопровождаются выделением теплоты, которая переносится циркулирующей кровью и лимфой. Источник тепла - биохимические процессы, происходящие в живом организме. Выделяемое тепло разносится кровью по всему организму. Обладая высокой теплоемкостью и теплопроводностью, циркулирующая кровь способна осуществлять интенсивный теплообмен между центральными и периферическими областями организма. Температура крови, проходящей по кожным сосудам, снижается на 2-3°.
В основе термографии лежит явление увеличения интенсивности инфракрасного излучения над патологическими очагами (в связи с усилением в них кровоснабжения и метаболических процессов) или уменьшение его интенсивности в областях с уменьшенным региональным кровотоком и сопутствующими изменениями в тканях и органах. Обычно это выражается появлением "горячей зоны". Выделяют два основных вида термографии: телетермография и контактная холестерическая термография.
128. Телетермография основана на преобразовании инфракрасного излучения тела человека в электрический сигнал, который визуализируется на экране тепловизора. В качестве приемных устройств инфракрасного излучения в тепловизорах используют чувствительные фотосопротивления.
Тепловизор работает следующим образом. Инфракрасное излучение фокусируется системой линз, после чего попадает на фотоприемник, работающий при охлаждении его до –196°С. Сигнал с фотоприемника усиливается и подвергается цифровой обработке с последующей передачей полученной информации на экран цветного монитора.
129. Контактная жидкокристаллическая термография опирается на оптические свойства анизотропных холестерических жидких кристаллов, которые проявляются изменением окраски в радужные цвета при нанесении их на термоизлучающие поверхности. Наиболее холодным участкам соответствует красный цвет, наиболее горячим - синий.
Жидкокристаллическая контактная пластинчатая термография в настоящее время широко и успешно применяется в различных областях медицины, однако значительно большее применение нашли дистанционные методы регистрации инфракрасного излучения тела человека.
130. Клинические применения термографии. Термографическая диагностика не оказывает никакого внешнего воздействия или неудобства для пациента и позволяет "увидеть" аномалии тепловой картины на поверхности кожи пациента, которые характерные для многих заболеваний и физических расстройств.
Термография, являясь физиологичным, безвредным, неинвазивным методом диагностики, находит свое применение в практической медицине для диагностики широкого круга патологий: заболеваний молочных желез, позвоночника, суставов, щитовидной железы, ЛОР органов, сосудов, печени, желчного пузыря, кишечника, желудка, поджелудочной железы, почек, мочевого пузыря, предстательной железы. Термография позволяет зафиксировать изменения в самом начале развития патологического процесса, до появления структурных изменений в тканях.
131. Резерфордовская (планетарная) модель атома. Согласно этой модели весь положительный заряд и почти вся масса (более 99,94%) атома сосредоточены в атомном ядре, размер которого ничтожно мал (порядка 10 -13 см) по сравнению с размером атома (10 -8 см). Вокруг ядра по замкнутым (эллиптическим) орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Заряд ядра равен по абсолютной величине суммарному заряду электронов.
Недостатки резерфордовской модели.
а) в резерфордовской модели атом является неустойчивым
образованием, тогда как опыт свидетельствует об обратном;
б) спектр излучения атома по Резерфорду является непрерывным, тогда как опыт говорит о дискретном характере излучения.
132. Квантовая теория строения атома по Бору. Исходя из представлений о дискретности энергетических состояний атома, Бор усовершенствовал атомную модель Резерфорда, создав квантовую теорию строения атома. В ее основе лежат три постулата.
Электроны в атоме могут двигаться не по любым орбитам, а только по орбитам вполне определенного радиуса. На этих орбитах, называемых стационарными, момент количества движения электрона определяется выражением:
где m – масса электрона, v – его скорость, r – радиус электронной орбиты, n – целое число, называемое квантовым (n=1,2,3, …).
Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучением (поглощением) энергии.
Переход электрона с одной стационарной орбиты на другую
сопровождается излучением (или поглощением) кванта энергии.
Величина hn этого кванта равна разности энергий W 1 – W 2 стационарных состояний атома до и после излучения (поглощения):
hn=W 1 – W 2 .
Это соотношение называют условием частот.
133. Виды спектров. Различают три основных вида спектров: сплошные, линейчатые и полосатые.
Линейчатые спектры
атомами. Излучение обусловлено переходами связанных электронов на более низкие энергетические уровни.
Полосатые спектры излучаются отдельными возбужденными
молекулами. Излучение вызвано как электронными переходами в атомах, так и колебательными движениями самих атомов в молекуле.
Сплошные спектры излучаются совокупностями многих взаимодействующих между собой молекулярных и атомных ионов.
Основную роль в излучении играет хаотическое движение этих частиц, обусловленное высокой температурой.
134. Понятие о спектральном анализе . Каждый химический элемент
испускает (и поглощает) свет с вполне определенными, присущими только этому элементу длинами волн. Линейчатые спектры элементов получают путем фотографирования в спектрографах, в которых разложение света осуществляется с помощью дифракционной решетки. Линейчатый спектр элемента – это его своеобразный “отпечаток пальца”, который позволяет безошибочно идентифицировать этот элемент на основе длин волн излучаемого (или поглощаемого света). Спектрографические исследования являются одним из наиболее мощных имеющихся в нашем распоряжении методов химического анализа.
Качественный спектральный анализ – это сравнение полученных спектров с табличными для определения состава вещества.
Количественный спектральный анализ проводится путем фотометрирования (определения интенсивности) спектральных линий: яркость линий пропорциональна количеству данного элемента.
Градуировка спектроскопа . Для того чтобы с помощью спектроскопа можно было определять длины волн исследуемого спектра, спектроскоп необходимо проградуировать, т.е. установить зависимость между длинами волн спектральных линий и делениями шкалы спектроскопа, на которых они видны.
135. Основные характеристики и области применения спектрального анализа. С помощью спектрального анализа можно определять как атомный, так и молекулярный состав вещества. Спектральный анализ позволяет проводить качественное открытие отдельных компонентов анализируемой пробы и количественное определение их концентрации. Вещества с очень близкими химическими свойствами, которые трудно или даже невозможно анализировать химическими методами, легко определяются спектрально.
Чувствительность спектрального анализа, как правило, очень высока. Прямым анализом достигается чувствительность 10 -3 - 10 -6 %. Скорость спектрального анализа обычно значительно превышает скорость выполнения анализа другими методами.
136. Спектральный анализ в биологии. Спектроскопический метод измерения оптической активности веществ широко применяется для определения структуры биологических объектов. При изучении биологических молекул измеряются их спектры поглощения и флуоресценция. Флуоресцирующие при лазерном возбуждении красители используются для определения водородного показателя и ионных сил в клетках, а также для исследования специфических участков в белках. С помощью резонансного комбинационного рассеяния зондируется структура клеток и определяется конформация молекул белков и ДНК. Важную роль сыграла спектроскопия при изучении фотосинтеза и биохимии зрения.
137. Спектральный анализ в медицине. В организме человека присутствует более восьмидесяти химических элементов. Их взаимодействие и взаимовлияние обеспечивает процессы роста, развития, пищеварения, дыхания, иммунитета, кроветворения, памяти, оплодотворения и т.д.
Для диагностики микро- и макроэлементов, а также их количественного дисбаланса волосы и ногти являются наиболее благодатным материалом. Каждый волос хранит интегральную информацию о минеральном обмене всего организма за весь период времени своего роста. Спектральный анализ дает полные сведения о минеральном балансе за продолжительный период времени. Некоторые токсичные вещества можно обнаружить только этим способом. Для сравнения: обычные методики позволяют определять по анализу крови соотношение менее десяти микроэлементов на момент тестирования.
Результаты спектрального анализа помогают врачу в диагностике и поисках причины заболеваний, выявлении скрытых заболеваний и предрасположенности к ним; позволяют более точно назначать лекарственные препараты и разрабатывать индивидуальные схемы восстановления минерального баланса.
Трудно переоценить значение спектроскопических методов в фармакологии и токсикологии. В частности, они позволяют проводить анализ проб фармакологических препаратов при их валидации, а также определении фальсифицированных лекарственных средств. В токсикологии ультрафиолетовая и инфракрасная спектроскопии позволили проводить идентификацию многих алкалоидов из экстрактов Стаса.
138. Люминесценцией называется избыточное над тепловым излучение тела при данной температуре, имеющее длительность, значительно превышающую период излучаемых световых волн.
Фотолюминесценция. Люминесценция под воздействием фотонов называется фотолюминесценцией.
Хемилюминесценция. Люминесценция, сопровождающая химические реакции, называется хемилюминесценцией.
139. Люминесцентный анализ основан на наблюдении люминесценции объектов с целью их исследования; используется для обнаружения начальной стадии порчи продуктов, сортировки фармакологических препаратов и диагностики некоторых заболеваний.
140. Фотоэлектрическим эффектом называется явление вырывания
электронов из вещества под действием падающего на него света.
Привнешнем фотоэффекте электрон покидает поверхность вещества.
При внутреннем фотоэффекте электрон освобождается от связей с атомом, но остается внутри вещества.
Уравнение Эйнштейна:
где hn – энергия фотона, n – его частота, А – работа выхода электрона, – кинетическая энергия вылетевшего электрона, v – его скорость.
Законы фотоэффекта:
Число фотоэлектронов, вырываемых с поверхности металла за единицу времени, пропорционально световому потоку, падающему на металл.
Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов
определяется частотой падающего света и не зависит от его интенсивности.
Для каждого металла существует красная граница фотоэффекта, т.е. максимальная длина волны l 0 , при которой еще возможен фотоэффект.
Внешний фотоэффект находит применение в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) и электронно-оптических преобразователях (ЭОП). ФЭУ применяются для измерения световых потоков малой интенсивности. С их помощью можно определить слабую биолюминесценцию. ЭОП применяют в медицине для усиления яркости рентгеновского изображения; в термографии – для преобразования инфракрасного излучения организма в видимое. Кроме того, фотоэлементы применяются в метро при прохождении турникета, в современных гостиницах, аэропортах и т.д. для автоматического открывания и закрывания дверей, для автоматического включения и выключения освещения улиц, для определения освещенности (люксметр) и пр.
141. Рентгеновское излучение –это электромагнитное излучение с длиной волны от 0,01 до 0,000001 мкм. Оно вызывает свечение экрана, покрытого люминофором, и почернение фотоэмульсии, благодаря чему его можно использовать для фотографирования.
Рентгеновские лучи возникают при резкой остановке электронов при их ударе об анод в рентгеновской трубке. Предварительно электроны, эмиттируемые катодом, разгоняются ускоряющей разностью потенциалов до скоростей порядка 100000 км/с. Это излучение, называемое тормозным, имеет сплошной спектр.
Интенсивность рентгеновского излучения определяется эмпирической формулой:
где I – сила тока в трубке, U – напряжение, Z – порядковый номер атома вещества антикатода, k – const.
Рентгеновское излучение, возникающее в результате торможения электронов, называется «тормозным».
Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким , а длинноволновое – мягким .
При больших напряжениях в рентгеновской трубке наряду с
рентгеновским излучением, имеющим сплошной спектр, возникает рентгеновское излучение, имеющее линейчатый спектр; последний налагается на сплошной спектр. Это излучение называется характеристическим, так как каждое вещество имеет собственный, характерный для него линейчатый рентгеновский спектр (сплошной спектр от вещества анода и определяется только напряжением на рентгеновской трубке).
142. Свойства рентгеновского излучения. Рентгеновские лучи обладают всеми свойствами, которые характеризуют световые лучи:
1) не отклоняются в электрическом и магнитном полях и, следовательно, не несут электрического заряда;
2) обладают фотографическим действием;
3) вызывают ионизацию газа;
4) способны вызывать люминесценцию;
5) могут преломляться, отражаться, обладают поляризацией и дают явление интерференции и дифракции.
143. Закон Мозли. Так как атомы различных веществ имеют различные энергетические уровни в зависимости от их строения, то и спектры характеристического излучения зависят от строения атомов вещества анода. Характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра. Такая закономерность известна как закон Мозли:
где n – частота спектральной линии, Z – порядковый номер испускающего элемента, А и В – постоянные.
144. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. В зависимости от соотношение энергии фотона e и энергии ионизации А имеют место три главных процесса.
Когерентное (классическое) рассеяние . Рассеяние длинноволнового рентгеновского излучения происходит в основном без изменения длины волны, и его называют когерентным. Оно возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации: hn<А. Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излучения и атома не изменяются, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия.
Некогерентное рассеяние (эффект Комптона) . В 1922 году А.Х. Комптон, наблюдая рассеяние жестких рентгеновских лучей, обнаружил уменьшение проникающей способности рассеянного пучка по сравнению с падающим. Это означало, что длина волны рассеянного рентгеновского излучения больше, чем падающего. Рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны называют некогерентным, а само явление – эффектом Комптона.
Фотоэффект . При фотоэффекте рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетает электрон, а атом ионизируется (фотоионизация). Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов.
Ионизирующее действие рентгеновского излучения проявляется в увеличении электропроводимости под воздействием рентгеновских лучей. Это свойство используют в дозиметрии для количественной оценки действия этого вида излучения.
145. Рентгенолюминесценцией называют свечение ряда веществ при рентгеновском облучении. Такое свечение платиносинеродистого бария позволило Рентгену открыть лучи. Это явление используют для создания специальных светящихся экранов с целью визуального наблюдения рентгеновского излучения, иногда для усиления действия рентгеновских лучей на фотопластинку, что позволяет фиксировать эти лучи.
146. Поглощение рентгеновского излучения описывается законом Бугера:
F = F 0 е - m x ,
где m - линейный коэффициент ослабления,
x – толщина слоя вещества,
F 0 – интенсивность падающего излучения,
F - интенсивность прошедшего излучения.
147. Воздействие рентгеновского излучения на организм . Хотя лучевые нагрузки при рентгенологических исследованиях невелики, они могут приводить к изменениям в хромосомном аппарате клеток – радиационным мутациям. Поэтому рентгеновские исследования должны регламентироваться.
148. Рентгеновская диагностика. Рентгеновская диагностика основана на избирательном поглощении тканями и органами рентгеновского излучения.
149. Рентгеноскопия. При рентгеноскопии изображение просвечиваемого объекта получают на флюороскопическом экране. Методика проста и экономична, позволяет наблюдать за движением органов и за перемещением в них контрастного вещества. Однако она обладает и недостатками: после неё не остается документа, который мог бы обсуждаться или рассматриваться в дальнейшем. На экране плохо различимы мелкие детали изображения. Рентгеноскопия сопряжена с гораздо большей лучевой нагрузкой на больного и врача, чем рентгенография.
150. Рентгенография. При рентгенографии пучок рентгеновских лучей направляется на исследуемую часть тела. Излучение, прошедшее через тело человека, попадает на пленку, на которой после её обработки получается изображение.
151. Электрорентгенография. В ней пучок рентгеновского излучения, прошедший через больного, попадает на заряженную статическим электричеством селеновую пластинку. При этом пластина изменяет свой электрический потенциал, на ней возникает скрытое изображение из электрических зарядов.
Главное достоинство метода – возможность быстро получить большое число качественных снимков без расхода рентгеновской пленки, содержащей дорогостоящие соединения серебра, и без “мокрого” фотопроцесса.
152. Флюорография. Её принцип состоит в фотографировании рентгеновского изображения с экрана на малоформатную роликовую пленку. Применяется при массовых обследованиях населения. Преимущества метода – быстрота, экономичность.
153. Искусственное контрастирование органов. Метод основан на
введении в организм безвредных веществ, которые поглощают
рентгеновское излучение гораздо сильнее или, наоборот, гораздо слабее, чем исследуемый орган. Например, больному рекомендуется принять водную взвесь сульфата бария. При этом на снимке появляется тень контрастной массы, находящейся в полости желудка. По положению, форме, величине и очертаниям тени можно судить о положении желудка, форме и величине его полости.
Йод используется для контрастирования щитовидной железы. Из газов для этой цели применяют кислород, закись азота, углекислый газ. В кровяное русло можно вводить только закись азота и углекислый газ, так как они в противоположность кислороду не вызывают газовой эмболии.
154. Усилители рентгеновских изображений. Яркость свечения, преобразующего рентгеновское излучение в видимый свет флюоресцентного экрана, которым пользуется рентгенолог, производя рентгеноскопию, составляет сотые доли кандел на квадратный метр (кандел - свеча). Это примерно соответствует яркости лунного света в безоблачную ночь. При подобной освещенности человеческий глаз работает в режиме сумеречного зрения, при котором чрезвычайно плохо различаются мелкие детали и слабые перепады контраста.
Увеличить яркость экрана нельзя из-за пропорционального увеличения дозы облучения пациента, которая и так не безвредна.
Возможность устранить это препятствие дают усилители рентгеновского изображения (УРИ), способные усиливать яркость изображений в тысячи раз за счет многократного ускорения электронов с помощью внешнего электрического поля. УРИ, помимо увеличения яркости, позволяют существенно сократить дозу облучения при исследовании.
155. Ангиография – метод контрастного исследования кровеносной
системы, в котором под визуальным рентгеновским контролем с помощью УРИ и телевидения рентгенолог вводит в вену тонкую эластичную трубку - катетер и направляет его вместе с током кровипрактически в любую область тела, даже в сердце. Затем в нужный момент по катетеру вводится рентгеноконтрастная жидкость и одновременно делается серия снимков, с большой скоростью следующих друг за другом.
156. Цифровой метод обработки информации. Электрические сигналы представляют собой наиболее удобную форму для последующей обработки изображения. Иногда на изображении выгодно подчеркнуть линию, выделить контур, иногда высветить текстуру. Обработка может осуществляться как электронными аналоговыми, так и цифровыми методами. Для целей цифровой обработки аналоговые сигналы превращаются в дискретную форму с помощью аналого-цифровых преобразователей АЦП и в таком виде поступают на компьютер.
Полученное на флюороскопическом экране световое изображение усиливается электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) и поступает через оптическую систему на вход телевизионной трубки ТТ, превращаясь в последовательность электрических сигналов. С помощью АЦП производится дискретизация и квантование, а далее запись в оперативную цифровую память – ОЗУ и обработка сигналов изображения по заданным программам. Преобразованное изображение вновь превращается в аналоговую форму с помощью цифро-аналогового преобразователя ЦАП и выводится на экран видеоконтрольного устройства ВКУ полутонового дисплея.
157. Цветовое кодирование черно-белых изображений. Большинство интроскопических изображений монохромно, то есть, лишено цвета. Но ведь нормальное зрение человека - цветное. Чтобы полностью использовать способности глаза, имеет смысл в ряде случаев искусственно раскрашивать наши интроскопические изображения на последнем этапе их преобразования.
При восприятии глазом цветного изображения появляются
дополнительные признаки изображения, облегчающие анализ. Это
цветовой тон, насыщенность цвета, цветной контраст. В цвете во много раз повышается различаемость деталей и контрастная чувствительность глаза.
158. Рентгеновская терапия. Рентгеновское излучениеприменяется для лучевой терапии при лечении ряда заболеваний. Показания и тактика рентгенотерапии во многом аналогичны методам гамма-терапии.
159. Томография. На изображение органа или патологического образования, интересующего врача, наслаиваются тени соседних органов и тканей, расположенных по ходу рентгеновского пучка.
Суть томографии заключается в том, что в процессе съемки
рентгеновская трубка перемещается относительно больного, давая резкое изображения только тех деталей, которые лежат на заданной глубине. Таким образом, томография – это послойное рентгеновское исследование.
160. Лазерное излучение –это когерентное одинаково направленное
излучение множества атомов, создающее узкий пучок монохроматического света.
Чтобы лазер начал действовать, необходимо перевести большое число атомов его рабочего вещества в возбужденное (метастабильное) состояние. Для этого рабочему веществу передается электромагнитная энергия от специального источника (метод накачки). После этого в рабочем веществе начнутся почти одновременные вынужденные переходы всех возбужденных атомов в нормальное состояние с излучением мощного пучка фотонов.
161. Применение лазера в медицине. Высокоэнергетические лазеры
применяются в качестве лазерного скальпеля в онкологии. При этом достигается рациональное иссечение опухоли с минимальным повреждением окружающих тканей, причем операцию можно выполнять вблизи структур мозга с большой функциональной значимостью.
Кровопотеря при применении луча лазера гораздо меньше, рана полностью стерилизуется, а отек в послеоперационном периоде минимальный.
Особенно эффективен лазер в микрохирургии глаза. Он позволяет проводить лечение глаукомы посредством “прокалывания” его лучом микроскопических отверстий для оттока внутриглазной жидкости. Лазером осуществляется безоперационное лечение отслойки сетчатки.
Низкоэнергетическое лазерное излучение оказывает противовоспалительное, аналгезирующее действие, изменяет тонус сосудов, улучшает обменные процессы и т.д.; оно применяется в специальной терапии в различных областях медицины.
162. Воздействие лазера на организм. Воздействие лазерного излучения на организм во многом схоже с воздействием электромагнитного излучения видимого и инфракрасного диапазонов. На молекулярном уровне такое воздействие приводит к изменению энергетических уровней молекул живого вещества, их стереохимической перестройке, коагуляции белковых структур. Физиологические эффекты лазерного воздействия связаны с фотодинамическим эффектом фотореактивации, эффектом стимуляции или угнетения биопроцессов, изменением функционального состояния как отдельных систем, так и организма в целом.
163. Использование лазеров в медико-биологических исследованиях. Одним из основных направлений лазерной диагностики является спектроскопия конденсированных сред , которая позволяет проводить анализ биологических тканей и их визуализацию на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях.
Elena 3013
В этой статье пойдет речь об увеличении микроскопа, единицах измерения данной величины, способах визуального определения разрешающей мощности прибора. Также поговорим о стандартных параметрах этого значения и способах расчета увеличения для конкретного типа работ.
Чаще всего основные параметры мощности микроскопа указываются на корпусе объектива. Выкрутите объектив и осмотрите его. Вы можете видеть две цифры, записанные через дробь. Первая – увеличение, вторая – числовая апертура.
Апертура характеризует возможность прибора собирать свет и получать четкое изображение. Также на объективе могут быть указаны длина тубуса и толщина покровного стекла, необходимые для работы.
Все об увеличении микроскопа
Увеличение измеряется в кратах (х). Взаимоотношение системы окуляр-объектив полностью определяет его значение. Произведение увеличения окуляра и объектива говорит нам о рабочем увеличении, которое создает данный микроскоп. Зависимость общего увеличения от увеличения объектива очевидна. По мощности объективы делятся на следующие группы:
Малые (не больше 10х);
Средние (до 50х);
Большие (более 50х);
Сверхбольшие (более 100х).
Максимальное значение увеличения объектива для оптического микроскопа – 2000х. Значение окуляра обычно равно 10х, оно редко меняется. А вот увеличение объектива варьирует в широких пределах (от 4 до 100х и 2000х).
Выбирая микроскоп, необходимо учитывать, кто на нем будет работать, и какое максимальное увеличение может понадобиться. Например, дошкольнику достаточно 200х, школьные и университетские микроскопы имеют увеличение от 400-1000х. А вот исследовательский прибор должен давать не менее 1500-2000х. Это значение позволяет работать с бактериями и мелкими клеточными структурами.
 |
|||
 |
|||
 |
|||
 |
Оксар.ру-Москва | 900 Р | |
 |
|||
 |
|||
| Еще предложения | |||
Разрешающая способность прибора
Отчего зависит четкость и качество картинки, которую дает микроскоп? На это влияет разрешающая способность прибора. Для вычисления этой величины нужно найти частное длины световой волны и двух числовых апертур. Следовательно, ее определяют конденсор и объектив микроскопа. Напоминаем, что значение числовой апертуры можно увидеть на корпусе объектива. Чем оно выше, тем лучше разрешение у прибора.
Оптический микроскоп имеет предел разрешения 0,2 микрона. Это минимальное расстояние до изображения, когда различимы все точки объекта.
Полезное увеличение микроскопа
Про полезное увеличение мы говорим, когда глаз исследователя полностью использует разрешающую способность микроскопа. Это достигается путем наблюдения за объектом под предельно допустимым углом. Зависит полезное увеличение только от числовой апертуры и типа объектива. При его вычислении числовая апертура увеличивается в 500-1000 раз.
Сухой объектив (между объектом и линзой только воздушная среда) создает полезное увеличение 1000х, т.е. числовая апертура равняется 1.
Иммерсионный объектив (между объектом и линзой слой иммерсионной среды) создает полезное увеличение 1250х, т.е. числовая апертура равняется 1,25.
Размытое или нечеткое изображение говорит о том, что полезное увеличение больше или меньше приведенных выше значений. Увеличение или уменьшение заданной величины значительно ухудшает работу микроскопа.
В этой статье мы говорили об основных характеристиках оптического микроскопа и методах их расчета. Надеемся, данная информация станет полезной при работе с этим сложным прибором.
Рассказать друзьям
Методические указания
Для изучения объектов имеющих малые размеры и неразличимых невооруженным глазом, используют специальные оптические приборы – микроскопы. В зависимости от назначения различают: упрощенные, рабочие, исследовательские и универсальные. По используемому источнику освещения микроскопы подразделяются на: световые, люминесцентные, ультрафиолетовые, электронные, нейтронные, сканирующие, тоннельные. Конструкция любого из перечисленных микроскопов включает механическую и оптическую части. Механическая часть служит для создания условий наблюдения – размещения объекта, фокусировки изображения, оптическая – получения увеличенного изображения.
Устройство светового микроскопа
Микроскоп называется световым, так как он обеспечивает возможность изучать объект в проходящем свете в светлом поле зрения. На (рис.Внешний вид Биомед 2) представлен общий вид микроскопа Биомед-2.
|
|
Механическая часть микроскопа состоит из основания микроскопа, подвижного предметного столика и револьверного устройства.
Фокусировка на объект осуществляется перемещением предметного столика путем вращения ручек грубой и тонкой настройки.
Диапазон грубой фокусировки микроскопа – 40 мм.
Конденсор крепится на кронштейне и располагается между предметным столиком и коллекторной линзой. Его движение производиться вращением ручкой регулировки высоты конденсора. Общий вид его показан на (рис.???) Двухлинзовый конденсор с апертурой 1,25 обеспечивает освещение полей на объекте при работе с объективами увеличением от 4 до 100 крат.
Предметный столик укреплен на кронштейне. Координатное перемещение предметного столика, возможно, при вращении рукояток. Крепление объекта на столике осуществляется держателями препарата. Держатели можно перемещать относительно друг друга.
Координаты объекта и величина перемещения отсчитывается по шкалам с ценой деления 1 мм и нониусам с ценой деления 0,1 мм. Диапазон перемещения объекта в продольном направлении 60 мм, в поперечном направлении – 40 мм. Конденсор
Конденсор
Микроскоп оборудован узлом крепления конденсора с возможностью центрировочного и фокусировочного перемещения.
В качестве базового в микроскопе используется универсальный конденсор, установленный в держатель; при использовании иммерсионного масла - числовая апертура составляет 1,25.
При настройке освещения плавное изменение числовой апертуры пучка лучей освещающих препарат, осуществляется с помощью апертурной диафрагмы.
Конденсор устанавливается в держатель конденсора в фиксированное положение и закрепляется стопорным винтом.
Винты для центрировки конденсора используются в процессе настройки освещения для перемещения конденсора в плоскости, перпендикулярной к оптической оси микроскопа, при центрировке изображения полевой диафрагмы относительно краев поля зрения.
Рукоятка перемещения конденсора вверх-вниз, расположена на левой стороне кронштейна держателя конденсора, используются при настройке освещения для фокусирования на изображение полевой диафрагмы.
Светофильтры устанавливаются в поворотное кольцо, расположенное в нижней части конденсора.
Оптическая часть микроскопа
Состоит из осветительной и наблюдательной систем. Осветительная система равномерно освещает поля зрения. Наблюдательная система предназначена для увеличения изображения наблюдаемого объекта.
Осветительная система
Находится под предметным столиком. Она состоит из коллекторной линзы установленной в корпусе, которая ввинчивается в отверстие основания микроскопа и патрона с установленной в него лампой. Патрон с лампой установлен внутри основания микроскопа. Питание осветителя микроскопа обеспечивается от сети переменного тока через трех-контактый провод питания, подключаемый с помощью штекера к сети питания. Включение лампы осветителя осуществляется выключателем, расположенным на основании микроскопа.
Наблюдательная система
Состоит из объективов, монокулярной насадки и окуляров.
Объективы
Объективы составляют самую важную, наиболее ценную и хрупкую часть микроскопа. От них зависит увеличение, разрешающая способность и качество изображения. Они представляют собой систему взаимно центрированных линз, заключенных в металлическую оправу. На верхнем конце оправы имеется резьба, при помощи которой объектив крепится в гнезде револьвера. Передняя (ближайшая к объекту) линза в объективе называется фронтальной, единственная в объективе, производящая увеличение. Все остальные линзы объектива называются коррекционными и служат для устранения недостатков оптического изображения.
При прохождении через линзы пучка световых лучей с разной длиной волны возникает радужное окрашивание изображения – хроматическая аберрация. Неодинаковое преломление лучей на кривой поверхности линзы приводит к сферической аберрации, возникающей вследствие неравномерного преломления центральных и периферических лучей. В результате точечное изображение получается в виде размытого кружка.
Объективы, входящие в комплект микроскопа, рассчитаны на оптическую длину тубуса 160мм, высоту 45 мм и толщину покровного стекла препарата мм.
Объективы увеличением более 10X снабжены пружинящими оправами, предохраняющими от повреждения препарат и фронтальные линзы объективов при фокусировании на поверхность препарата.
На корпусе объектива в соответствии с увеличением может быть нанесено цветное кольцо, а также:
- числовая апертура;
- оптическая длина тубуса 160;
- толщина покровного стекла 0,17, 0 или －";
- вид иммерсии - масляная OIL (М.И.) или водная В.И.;
Объективы с маркировкой 0,17 рассчитаны для исследования препаратов только с покровными стеклами толщиной 0,17 мм. Объективы с маркировкой 0 рассчитаны для исследования препаратов только без покровных стекол. Объективы слабого увеличения (2,5 - 10), а также иммерсионные объективы могут быть использованы при исследовании препаратов как с покровным стеклом, так и без покровного стекла. Эти объективы маркируются значком －.
Окуляры
Окуляр микроскопа состоит из двух линз: глазной (верхней) и собирательной (нижней). Между линзами находится диафрагма. Боковые лучи диафрагма задерживает, близкие к оптической оси пропускает, что усиливает контрастность изображения. Назначение окуляра состоит в увеличении изображения, которое дает объектив. Окуляры имеют собственное увеличение ×5, ×10, ×12.5, ×16 и ×20, что указано на оправе.
Выбор окуляров зависит от комплекта применяемых объективов. При работе с объективами ахроматами, ахростигматами и ахрофлюарами целесообразно использовать окуляры с линейным полем зрения не более 20 мм, с объективами планахроматами и планапохроматами - окуляры с линейным полем зрения 20; 22 и 26,5 мм.
Дополнительно микроскоп может комплектоваться окуляром WF10/22 со шкалой; цена деления шкалы 0,1 мм.
Характеристики микроскопов
Увеличение микроскопа
К основным характеристикам микроскопа относятся увеличение и разрешающая способность. Общее увеличение, которое дает микроскоп, определяется как произведение увеличения объектива на увеличение окуляра. Однако увеличение не характеризует качества изображения, оно может быть четким и нечетким. Четкость получаемого изображения характеризуется разрешающей способностью микроскопа, т.е. той наименьшей величиной объектов или их деталей, которые можно увидеть с помощью этого прибора.
Общее увеличение Г микроскопа при визуальном наблюдении определяется по формуле: Г = βок × βок, где:
βоб - увеличение объектива (маркируется на объективе); βок - увеличение окуляра (маркируется на окуляре).
Диаметр поля, наблюдаемого в объекте, Доб мм, определяется по формуле: Доб= Док × βоб. Док –диаметр окулярного поля зрения(маркируется на окуляре)мм. Расчетные значения увеличения микроскопа и диаметра наблюдаемого поля на объекте приведены в таблице 3.
| Увеличение объектива | Увеличение микроскопа и наблюдаемое поле
на объекте с окуляром: |
|||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5/26* | 10/22 | 15/16* | ||||
| Г | Доб, мм | Г | Доб, мм | Г | Доб, мм | |
| 4 | 20 | 4,0 | 50 | 4,5 | 64 | 3,75 |
| 10 | 50 | 2,0 | 100 | 1,8 | 160 | 1,5 |
| 20 | 100 | 1,0 | 200 | 0,9 | 320 | 0,75 |
| 40 | 200 | 0,5 | 420 | 0,45 | 640 | 0,38 |
| 100 | 500 | 0,2 | 1000 | 0,18 | 1600 | 0,15 |
- По дополнительному заказу
Разрешающая способность микроскопа
Разрешающая способность микроскопа определяется минимальным (разрешающим) расстоянием между двумя точками (или двумя тончайшими штрихами), видимыми раздельно, и вычисляется по формуле
D=λ/(A1+A2) , где d – минимальное (разрешающее) расстояние между двумя точками (штрихами); λ – длина волны ис- пользуемого света; A1 и А2 – числовая апертура объектива (обозначена на его оправе) и конденсора.
Увеличить разрешающую способность (т.е. уменьшить абсолютную величину d, так как это обратные величины) можно следующими путями: освещать объект светом с более короткой длиной волны λ (например, ультрафиолетовыми или коротковолновыми лучами), использовать объективы с большей апертурой А1 или повышать апертуру конденсора А2.
Рабочее расстояние объектива
Микроскопы снабжают четырьмя съемными объективами с собственными увеличениями 4×, 10×, 40× и 100×, обозначенными на металлической оправе. Увеличение объектива зависит от кривизны основной фронтальной линзы: чем больше кривизна, тем короче фокусное расстояние и тем больше увеличение. Это необходимо помнить при микроскопировании – чем большее увеличение дает объектив, тем меньше свободное рабочее расстояние и тем ниже следует опускать его над плоскостью препарата.
Иммерсия
Все объективы разделяются на сухие и иммерсионные, или погружные. Сухим называется такой объектив, между фронтальной линзой которого и рассматриваемым препаратом находится воздух. При этом ввиду разницы показателя преломления стекла (1,52) и воздуха (1,0) часть световых лучей отклоняется и не попадает в глаз наблюдателя. Объективы сухой системы имеют обычно большое фокусное расстояние и дают малое (10×) или среднее (40×) увеличение.
Иммерсионными, или погружными, называют такие объективы, между фронтальной линзой которых и препаратом помещается жидкая среда с показателем преломления, близким к показателю преломления стекла. В качестве иммерсионной среды используют обычно кедровое масло. Можно использовать также воду, глицерин, прозрачные масла, монобромнафталин и др. При этом между фронтальной линзой объектива и препаратом устанавливается однородная (гомогенная) среда (стекло препарата – масло – стекло объ- ектива) с одинаковым показателем преломления. Благодаря этому все лучи, не преломляясь и не изменяя направления, попадают в объектив, создавая условия наилучшего освещения препарата. Величина (n) показателя преломления равна для воды 1,33, для кедрового масла 1,515, для монобромнафталина 1,6.
Техника микроскопирования
Микроскоп при помощи кабеля питания подключают к электрической сети. С помощью револьвера устанавливают в ход лучей объектив с увеличением ×10. Легкий упор и звук щелчка пружины револьвера свидетельствуют о том, что объектив установлен по оптической оси. Ручкой грубой фокусировки опускают объектив на расстояние 0,5 – 1,0 см от предметного столика.
Правила работы с сухими объективами.
Приготовленный препарат помещают на предметный столик и закрепляют зажимом. С помощью сухого объектива с увеличением ×10 просматривают несколько полей зрения. Передвигают предметный столик боковыми винтами. Нужный для исследования участок препарата устанавливают в центре поля зрения. Поднимают тубус и вращением револьвера переводят объектив с увеличением ×40, наблюдая сбоку, макрометрическим винтом снова опускают тубус с объективом почти до соприкосновения с препаратом. Смотрят в окуляр, очень медленно поднимают тубус до появления контуров изображения. Точную фокусировку производят с помощью микрометрического винта, вращая его в ту или другую сторону, но не более чем на один полный оборот. Если при вращении микрометрического винта чувствуется сопротивление, значит, ход его пройден до конца. В этом случае поворачивают винт на один-два полных оборота в обратную сторону, снова находят изображение при помощи макрометрического винта и переходят к работе с микрометрическим винтом.
Полезно приучить себя при микроскопировании держать оба глаза открытыми и пользоваться ими попеременно, так как при этом меньше утомляется зрение.
При смене объективов не следует забывать, что разрешающая способность микроскопа зависит от соотношения апертуры объектива и конденсора. Числовая апертура объектива с увеличением ×40 составляет 0,65, неиммергированного конденсора – 0,95. Привести их в соответствие практически можно следующим приемом: сфокусировав препарат с объективом, следует вынуть окуляр и, глядя в тубус, прикрывать ирисовую диафрагму конденсора до тех пор, пока ее края не станут видны у границы равномерно освещенной задней линзы объектива. В этот момент числовые апертуры конденсора и объектива будут примерно равны.
Правила работы с иммерсионным объективом.
На препарат (лучше фиксированный и окрашенный) наносят небольшую каплю иммерсионного масла. Поворачивают револьвер и устанавливают по центральной оптической оси иммерсионный объектив с увеличением 100×. Конденсор поднимают вверх до упора. Ирисовую диафрагму конденсора открывают полностью. Глядя сбоку, макрометрическим винтом опускают тубус до погружения объектива в масло, почти до соприкосновения линзы с предметным стеклом препарата. Это нужно проводить очень осторожно, чтобы фронтальная линза не сместилась и не получила повреждения. Смотрят в окуляр, очень медленно вращают макрометрический винт на себя и, не отрывая объектив от масла, приподнимают тубус до появления контуров объекта. При этом следует помнить, что свободное рабочее расстояние в иммерсионном объективе равно 0,1 – 0,15 мм. Затем точную фокусировку производят макрометрическим винтом. Рассматривают в препарате несколько полей зрения, передвигая столик боковыми винтами. По окончании работы с иммерсионным объективом поднимают тубус, снимают препарат и осторожно протирают фронтальную линзу объектива сначала сухой мягкой хлопчатобумажной салфеткой, затем той же салфеткой, но слегка смоченной чистым бензином. Оставлять масло на поверхности линзы нельзя, так как оно способствует оседанию пыли и может привести со временем к повреждению оптики микроскопа. Препарат освобождают от масла сначала кусочком фильтровальной бумаги, затем обрабатывают стекло бензином или ксилолом.
2. Оптическая система микроскопа.
3. Увеличение микроскопа.
4. Предел разрешения. Разрешающая способность микроскопа.
5. Полезное увеличение микроскопа.
6. Специальные приемы микроскопии.
7. Основные понятия и формулы.
8. Задачи.
Способность глаза различать мелкие детали предмета зависит от размеров изображения на сетчатке или от угла зрения. Для увеличения угла зрения используют специальные оптические приборы.
25.1. Лупа
Простейшим оптическим прибором для увеличения угла зрения является лупа, представляющая собой короткофокусную собирающую линзу (f = 1-10 см).
Рассматриваемый предмет помещают между лупой и ее передним фокусом с таким расчетом, чтобы его мнимое изображение находилось в пределах аккомодации для данного глаза. Обычно используют плоскости дальней или ближней аккомодации. Последний случай предпочтительнее, так как глаз не утомляется (кольцевая мышца не напряжена).
Сравним углы зрения, под которыми виден предмет, рассматриваемый «невооруженным» нормальным глазом и с помощью лупы. Расчеты выполним для случая, когда мнимое изображение предмета получается на бесконечности (дальний предел аккомодации).
При рассматривании предмета невооруженным глазом (рис. 25.1, а) для получения максимального угла зрения предмет нужно поместить на расстояние наилучшего зрения а 0 . Угол зрения, под которым при этом виден предмет, равен β = В/а 0 (В - размер предмета).
При рассматривании предмета с помощью лупы (рис. 25.1, б) его помещают в передней фокальной плоскости лупы. При этом глаз видит мнимое изображение предмета В", расположенное в бесконечно удаленной плоскости. Угол зрения, под которым видно изображение, равен β" ≈ В/f.
Рис. 25.1. Углы зрения: а - невооруженным глазом; б - с помощью лупы: f - фокусное расстояние лупы; N - узловая точка глаза
Увеличение лупы - отношение угла зрения β", под которым видно изображение предмета в лупе, к углу зрения β, под которым предмет виден «невооруженным» нормальным глазом с расстояния наилучшего зрения:
Увеличения лупы для близорукого и дальнозоркого глаза разные, так как у них различны расстояния наилучшего зрения.
Приведем без вывода формулу для увеличения, которое дает лупа, используемая близоруким или дальнозорким глазом при формировании изображения в плоскости дальней аккомодации:
где а даль - дальний предел аккомодации.
Формула (25.1) позволяет предположить, что, уменьшая фокусное расстояние лупы, можно добиться сколь угодно большого увеличения. В принципе это так. Однако при уменьшении фокусного расстояния лупы и сохранении ее размеров возникают такие аберрации, которые сводят на нет весь эффект увеличения. Поэтому однолинзовые лупы обычно имеют 5-7-кратное увеличение.
Для уменьшения аберраций изготавливают сложные лупы, состоящие из двух-трех линз. В этом случае удается добиться 50-кратного увеличения.
25.2. Оптическая система микроскопа
Большее увеличение можно осуществить, рассматривая при помощи лупы действительное изображение предмета, создаваемое другой линзой или системой линз. Такое оптическое устройство реализовано в микроскопе. Лупу в этом случае называют окуляром, а другую линзу - объективом. Ход лучей в микроскопе показан на рис. 25.2.
Предмет В помещается вблизи переднего фокуса объектива (F об) с таким расчетом, чтобы его действительное, увеличенное изображение B" находилось между окуляром и его передним фокусом. При
Рис. 25.2.
Ход лучей в микроскопе.
этом окуляр дает мнимое увеличенное изображение B", которое и рассматривает глаз.
Изменяя расстояние между предметом и объективом, добиваются того, чтобы изображение В" оказалось в плоскости дальней аккомодации глаза (в этом случае глаз не утомляется). Для человека с нормальным зрением В" располагается в фокальной плоскости окуляра, а В" получается на бесконечности.
25.3. Увеличение микроскопа
Основной характеристикой микроскопа является его угловое увеличение. Это понятие аналогично угловому увеличению лупы.
Увеличение микроскопа - отношение угла зрения β", под которым видно изображение предмета в окуляре, к углу зрения β, под которым предмет виден «невооруженным» глазом с расстояния наилучшего зрения (а 0):
25.4. Предел разрешения. Разрешающая способность микроскопа
Может сложиться впечатление, что, увеличивая оптическую длину тубуса, можно добиться сколь угодно большого увеличения и, следовательно, рассмотреть самые мелкие детали предмета.
Однако учет волновых свойств света показывает, что на размеры мелких деталей, различимых с помощью микроскопа, накладываются ограничения, связанные с дифракцией света, проходящего через отверстие объектива. Вследствие дифракции изображением освещенной точки оказывается не точка, а небольшой светлый кружок. Если рассматриваемые детали (точки) предмета расположены достаточно далеко, то объектив даст их изображения в виде двух отдельных кружков и их можно различить (рис. 25.3, а). Наименьшему расстоянию между различимыми точками соответствует «касание» кружков (рис. 25.3, б). Если точки расположены очень близко, то соответствующие им «кружки» перекрываются и воспринимаются как один объект (рис. 25.3, в).
Рис. 25.3.
Разрешающая способность
Основной характеристикой, показывающей возможности микроскопа в этом отношении, является предел разрешения.
Предел разрешения микроскопа (Z) - наименьшее расстояние между двумя точками предмета, при котором они различимы как отдельные объекты (т.е. воспринимаются в микроскопе как две точки).
Величина, обратная пределу разрешения, называется разрешающей способностью. Чем меньше предел разрешения, тем больше разрешающая способность.
Теоретический предел разрешения микроскопа зависит от длины волны света, используемого для освещения, и от угловой апертуры объектива.
Угловая апертура (u) - угол между крайними лучами светового пучка, входящего в линзу объектива от предмета.
Укажем без вывода формулу для предела разрешения микроскопа в воздушной среде:
где λ - длина волны света, которым освещается объект.
У современных микроскопов угловая апертура достигает 140°. Если принять λ = 0,555 мкм, то получим для предела разрешения значение Z = 0,3 мкм.
25.5. Полезное увеличение микроскопа
Выясним, насколько большим должно быть увеличение микроскопа при заданном пределе разрешения его объектива. Примем во внимание, что у глаза имеется собственный предел разрешения, обусловленный строением сетчатки. В лекции 24 мы получили следующую оценку для предела разрешения глаза: Z ГЛ = 145-290 мкм. Для того чтобы глаз мог различить те же точки, которые разделяет микроскоп, необходимо увеличение
Это увеличение называют полезным увеличением.
Отметим, что при использовании микроскопа для фотографирования объекта в формуле (25.4) вместо Z ГЛ следует использовать предел разрешения пленки Z ПЛ.
Полезное увеличение микроскопа - увеличение, при котором предмет, имеющий размер, равный пределу разрешения микроскопа, имеет изображение, размер которого равен пределу разрешения глаза.
Используя полученную выше оценку для предела разрешения микроскопа Z м ≈0,3 мкм), найдем: Г п ~500-1000.
Добиваться большего значения для увеличения микроскопа не имеет смысла, так как никаких дополнительных деталей увидеть все равно не удастся.
Полезное увеличение микроскопа - это разумное сочетание разрешающих способностей и микроскопа, и глаза.
25.6. Специальные приемы микроскопии
Специальные приемы микроскопии используются для увеличения разрешающей способности (уменьшения предела разрешения) микроскопа.
1. Иммерсия. В некоторых микроскопах для уменьшения предела разрешения пространство между объективом и предметом заполняют специальной жидкостью - иммерсией. Такой микроскоп называют иммерсионным. Эффект иммерсии заключается в уменьшении длины волны: λ = λ 0 /n, где λ 0 - длина световой волны в вакууме, а n - показатель преломления иммерсии. В этом случае предел разрешения микроскопа определяется следующей формулой (обобщение формулы (25.3)):
Отметим,
что для иммерсионных микроскопов создают специальные объективы, так как
в жидкой среде изменяется фокусное расстояние объектива.
2. УФ-микроскопия. Для уменьшения предела разрешения используют коротковолновое ультрафиолетовое излучение, невидимое глазом. В ультрафиолетовых микроскопах микрообъект исследуется в УФлучах (в этом случае линзы выполняются из кварцевого стекла, а регистрация ведется на фотопленке или на специальном люминесцентном экране).
3. Измерение размеров микроскопических объектов. С помощью микроскопа можно определить размеры наблюдаемого объекта. Для этого применяют окулярный микрометр. Простейший окулярный микрометр представляет собой круглую стеклянную пластинку, на которой нанесена шкала с делениями. Микрометр устанавливают в плоскости изображения, получаемого от объектива. При рассматривании в окуляр изображения объекта и шкалы сливаются, можно отсчитать, какое расстояние по шкале соответствует измеряемой величине. Предварительно определяют по известному объекту цену деления окулярного микрометра.
4. Микропроекция и микрофотография. С помощью микроскопа можно не только наблюдать объект через окуляр, но и фотографировать его или проецировать на экран. В этом случае применяют специальные окуляры, которые и проецируют промежуточное изображение A"B" на пленку или на экран.
5. Ультрамикроскопия. Микроскоп позволяет обнаружить частицы, размеры которых лежат за пределами его разрешения. Этот метод использует косое освещение, благодаря чему микрочастицы видны как светлые точки на темном фоне, при этом строение частиц увидеть нельзя, можно только установить факт их наличия.
Теория показывает, что, как бы силен не был микроскоп, всякий предмет размерами меньше 3 мкм будет представляться в нем просто как одна точка, без всяких подробностей. Но это не означает, что такие частицы нельзя видеть, следить за их движениями или считать их.
Для наблюдения частиц, размеры которых меньше предела разрешения микроскопа, служит приспособление, называемое ультрамикроскоп. Главную часть ультрамикроскопа составляет сильное осветительное приспособление; освещенные таким образом частицы наблюдаются в обыкновенном микроскопе. Ультрамикроскопия основана на том, что мелкие частицы, взвешенные в жидкости или газе, делаются видимыми при сильном боковом освещении (вспомним пылинки, видимые в солнечном луче).
25.8. Основные понятия и формулы
Окончание таблицы
25.8. Задачи
1. Линза с фокусным расстоянием 0,8 см используется в качестве объектива микроскопа с фокусным расстоянием окуляра, равным 2 см. Оптическая длина тубуса равна 18 см. Каково увеличение микроскопа?
2.
Определить предел разрешения сухого и иммерсионного (n = 1,55) объективов c угловой апертурой u = 140 о. Длину волны принять равной 0,555 мкм.
3.
Чему равен предел разрешения на длине волны λ
= 0,555 мкм, если числовая апертура равна: А 1 = 0,25, А 2 = 0,65?
4.
С
каким показателем преломления следует взять иммерсионную жидкость,
чтобы рассмотреть в микроскопе субклеточный элемент диаметром 0,25 мкм
при наблюдении через оранжевый светофильтр (длина волны 600 нм)?
Апертурный угол микроскопа 70°.
5.
На ободке лупы имеется надпись «х10» Определить фокусное расстояние этой лупы.
6.
Фокусное расстояние объектива микроскопа f 1 = 0,3 см, длина тубуса Δ
= 15 см, увеличение Г = 2500. Найти фокусное расстояние F 2 окуляра. Расстояние наилучшего зрения a 0 = 25 см.
Статьи по теме
