mikroskopai

Mikroskopija

REFERATAS

Vilnius
2003

Mikroskopų vystymosi istorija

Pirmasis praktinis mikroskopas buvo pagamintas 1590 metais. Jis buvo sukurtas olandų mokslininko Zacharijaus Jenseno ir buvo sudarytas iš daugybės lęšių. 1610 Galilejo Galilejus šį mikroskopą pastebimai patobulino, tačiau jis visgi netapo labai plačiai taikytinas tų laikų moksle. Lęšių šlifavimas sparčiai tobulėjo ir 1650 metais jau buvo mikroskopuose naudojami pavieniai gan didelės galios lęšiai. 1658 metais panaudojus mikroskopą buvo pastebėti raudonieji kraujo kūneliai. Tą padarė olandų biologas Janas Svamerdamas. Netrukus Antonijus Van Leuvenhokas tapo pirmuoju asmeniu, kuris pastebėjo įvairių rūšių bakterijas.
Kepleris bei Hiuigensas taip paat įdiegė nemažai naujovių tobulinant mikroskopus.

Optinis mikroskopas ir jo sandara

Mikroskopai būna paprastieji ir sudėtingieji. Paprastąjį mikroskopą sudaro glaudžiamasis lęšis (kartais sudėtas iš kelių)(1 pav.) , kurio židinio nuotolis yra nedidelis (nuo 1 iki 10 cm).

1 pav.

Stebint pro jį, objektas A1 padedamas tokiame nuotolyje, kad aiškiausio regėjimo (25 cm) nuo akies nuotolyje susidarytų menamas ir padidintas stebimojo objekto atvaizdas A2. Nustatant paprastojo mikroskopo didinimą, svarbu surasti, kokiu kampu bus matomas objektas aiškiausio regėjimo nuotolyje plika akimi ir pro mikroskopą. Pirmuoju atveju tg α1═y1/D, o antruoju tgα2═y2/D, čiia y1 ir y2 yra objekto ir jo atvaizdo ilgis, D – aiškiausio regėjimo nuotolis.Taigi didinimas V═ tgα2/tgα1═y2/y1. Iš 1 paveikslėlio matyti, kad y2/y1═α2/α1. Iš lęšio formulės išreiškę α1 per α2 ir f ir α2 prilyginę, gausime paprastojo mikroskopo (didinamojo stiklo) didinimą
V═1+D/f,
čia D yra aiškiausio re

egėjimo nuotolis, f – lęšio židinio nuotolis. Bet paprastai f>f1, nes objektyvo židinio nuotolis yra trumpas, o tiriamasis objektas yra arti jo priešakinio židinio. Be to, α2‘ apytikriai yra lygus tubuso ilgiui l. Taigi
V═ lD/f1f2.
Kad panaikintų trūkumus, mikroskopo objektyvus ir okuliarus sudeda iš dviejų ir daugiau lęšių.
Griežtoje mikroskopų teorijoje atsižvelgiama i difrakcijos reiškinius. Apriboti spindulių pluoštai optinėje sistemoje užlenkiami ir interferuoja, todėl objekto taškai atvaizduojami ne kaip taškai, bet, spinduliams, užsilenkus, kaip šviesūs ir tamsūs žiedai, kurie, užsiklodami vienas ant kito, daro atvaizdą nebeaiškų. Kai taškai yra labai arti, tai atvaizde nebegalėsime jų išskirti. Optinio prietaiso skiriamąja galia laikome mažiausią nuotolį tarp artimų taškų, kuriuos atvaizde dar stebime atskirai.Šią sąlygą Relejus taip apibūdina:
skyrimo riba laikoma tokia padėtis, kai vieno taško difrakcinio atvaizdo taamsusis žiedas kerta gretimo šviesųjį skritulėlį.
Abė parodė, kad, šią sąlygą išlaikant, nuotolis tarp taškų
a═ λ / n sin u,
čia u yra apertūrinis kampas, kuriuo matomas objektyvo radiusas iš objekto taško optinėje ašyje, n – aplinkos lūžio rodiklis, λ – šviesos bangos ilgis. Dydį n*sin u vadiname skaitine objektyvo apertūra; a galime sumažinti, taigi skiriamąją galią padidiname, arba nušviesdami objektą trumpesnių bangų šviesa, pvz., ultravioletiniais spinduliais, arba didindami skaitinę apertūrą. Siekiant padidinti skiriamąją galia pirmuoju būdu, buvo padaryti kvarciniai ir rentgeno spindulių mikroskopai. Naudojant ultravioletinius spindulius ob
bjektams apšviesti, stiklo optiką reikia pakeisti brangia kvarco arba fluorito optika. Rentgeno spindulių mikroskopai yra labai sudėtingi ir praktiškai sunkiai naudojami. Didinant skaitinę apertūrą, taipgi galima padidinti mikroskopo skiriamąją galią. Šiuo tikslu naudojama imersijos sistema. Objektas ir objektyvas įmerkiami į skaidrų didelio lūžimo rodiklio skystį, pvz., kedro aliejų arba monobromo naftaliną. Pastaruoju atveju skaitinė apertūra siekia 1,6.
Paprastai, mikroskopą naudojame tiriamųjų objektų struktūrai stebėti. Bet išskirti struktūrą galime tik tada, kai difrakcijos skritulėliai yra maži, palyginti su pačios struktūros matmenimis. Priešingu atveju skritulėliai susilies, ir jokios struktūros nebepastebėsime. Imersinė sistema, pasižymėdama dideliu lūžimo rodikliu, mažina spindulių nukrypimą, taigi mažėja ir difrakcijos skritulėlių plotis, šiuo atveju galime išskirti smulkesnę struktūrą.
Kai norime labai smulkius objektus, pvz., bakterijas, koloidines daleles ir kt. tik pamatyti, bet ne jų struktūrą bei formą ištirti, naudojame ultramikroskopą. Stebimas daleles nušviečiame ne stačiai, bet iš šalies, kaip parodyta 4 paveikslėlyje.

4 pav.
Šviesos šaltinio L spinduliai nušviečia objektą O. Išbarstytus spindulius stebime mikroskopu M. Šiuo atveju paprastu mikroskopu nebepastebimos (apie 10-6mm) dalelės spindi tamsiame dugne šviesiomis apskritomis žvaigždelėmis. Šios rūšies mikroskopus vadiname ultramikroskopais.

Elektroniniai mikroskopai

Mikroskopo skiriamąją galią galime padidinti (sumažinti), sumažindami nušviečiančios objektą šviesos bangos ilgį λ, arba padidinę mikroskopo skaitinę apertūrą n*sin u, naudodami imersijos sistemą. Elektroninių bangų λ priklauso nuo elektronų greičio v, atseit, nuo el

lektronus pagreitinančio potencialo φ, nes
v═√(2eφ/m)

Didindami φ, galime sutrumpinti λ. Taigi naudodami elektronines bangas objektams nušviesti, galime žymiai padidinti mikroskopo skiriamąją galią. Šiam tikslui gaminami elektroniniai mikroskopai. Pagal naudojamą elektroninę optiką jie skirstomi į 2 grupes: magnetinius ir elektrostatinius. Magnetiniuose elektroniniuose mikroskopuose naudojami magnetiniai lęšiai. Šių mikroskopų schema pavaizduota 5 paveikslėlyje, b.

Elektroninės patrankėlės P emituotas elektronų pluoštas, suglaustas kondensoriaus K, krinta į tiriamąjį objektą O ir jį nušviečia. Išbarstyti objekto, jie praeina objektyvą Ob, kuris sudaro objekto atvaizdą A. Toliau elektronai praeina pro okuliarą Ok ir jo, suglausti, sudaro ekrane E arba fotoplokštelėje padidintą ir apverstą tiriamojo objekto atvaizdą, kurį stebime arba fotografuojame. Elektrostatiniuose elektroniniuose mikroskopuose naudojami elektriniai lęšiai; šių mikroskopų schema pavaizduota 5 pav., c. Palyginimui 5 pav.,a, pavaizduota šviesos (optinio) mikroskopo schema. Elektroninių mikroskopų lęšiai yra sumontuoti sandariame vamzdyje, iš kurio išsiurbiamas oras. Vamzdis pastatomas ant staliuko. Už vamzdžio spintoje surenkami elektroninei optikai maitinti elektrinis blokas ir oro siurblių agregatas (10-4-10-5 tor eilės) vakuumui vamzdyje palaikyti.
Elektrinių mikroskopų skiriamoji galia siekia 10-100 Ao, taigi toli pralenkia optinių mikroskopų skiriamąją galią (2000 Ao). Aiškiems ir neiškraipytiems atvaizdams sudaryti ypač svarbu gauti visai monochromatinį, t.y. vienodo greičio elektronų pluoštą, taigi pagreitinantis elektronus potencialas φ turi būti labai stabilus. Šalia elektroninių mikroskopų moksliniams tyrimams naudojami elektronografai. Jais gauname elektrono difrakciją ir galime ją stebėti bei fo

otografuoti. Iš difrakcijos vaizdų sprendžiame apie difrakcijos centrų išsidėstymą, atseit, apie objektų struktūrą. Šiuolaikiniai elektroniniai mikroskopai, paprastai, aprūpinami ir papildomais įtaisais elektronų difrakcijos vaizdams gauti.

Modernūs atominių jėgų ir skenuojantis tunelinis mikroskopai
Japonų mokslininkams pavyko naudojant mechaninę jėgą suimti vieną atomą, iškelti jį iš vietos kristale, o po to vėl ten pat padėti. Su pavieniais atomais tai buvo padaryta pirmąsyk – iki šiol visada reikėdavo elektros srovės. Noriaki Oyabu vadovaujama Osakos universiteto grupė savo eksperimentą aprašė žurnale “Physical Review Letters”. Oyabu sako: “Tai yra tas pat, lyg naudodamas Empire State Building dangoraižį pabandytumėte arbūzų lauke paimti vieną konkretų arbūzą.” Mikroskopiškame atomų pasaulyje mikroskopai yra naudojami ne tik vaizdams rodyti, bet ir nedidelėms dalelėms judinti iš savo vietos. Yra du tokie prietaisai. Skenuojančiame tuneliniame mikroskope adatėlė važiuoja prie pat tiriamosios medžiagos paviršiaus.Tarpas tarp adatos ir paviršiaus tėra kelių atominių atstumų dydžio. Tiesą sakant, tas tarpas neleidžia tekėti elektros srovei tarp elektriškai įkrautos adatos ir medžiagos. Bet, dėl kvantų mechanikos numatomo “tuneliavimo” reiškinio, elektronai vis tik sugeba įveikti tarpą, todėl silpna srovė, priklausanti nuo tarpo dydžio, teka. Jeigu atstumas sumažėja dešimčia nanometrų, srovė išauga dešimt kartų. Pagal srovės dydį galima apskaičiuoti atstumą tarp adatos ir atomų ir, galiausiai, sudaryti paviršiaus reljefo vaizdą. 1989 m. naudodamiesi tokiu mikroskopu firmos IBM inžinieriai sugebėjo iš 35 ksenono atomų sudėlioti savosios kompanijos emblemą. Tam jie prijungdavo prie adatos didesnę įtampą, kuri pakeldavo ir leisdavo judinti atskirus atomus. Bet šį metodą buvo galima taikyti tik elektrai laidžioms medžiagoms. Japonų grupės naudojamas atominės jėgos mikroskopas veikia kitaip. Šiame prietaise matavimus atlieka maža svirtelė, svyruojanti kairėn dešinėn. Ši svirtelė yra traukiama netoli nuo tiriamo paviršiaus. Įvairios jėgos, atsirandančios labai arti nuo paviršiuje esančių medžiagos atomų, veikia ir svirtelę. Naudodami lazerio pluoštelį mokslininkai nustato, kiek toli ji pajuda į šoną. Taigi matavimai yra atliekami be elektros srovės. Naudodami tokį mikroskopą Oyabu ir jo kolegos pabandė pajudinti medžiagos atomus nenaudodami jokios srovės. Fizikai švelniai prispaudė svirtelę prie vieno iš silicio kristalo atomų. Jėga buvo apskaičiuota taip, kad ji nutraukė vadinamąsias kovalentines jungtis ir atomas pajudėjo iš savo vietos. Silicio atomas liko pakibęs ant svirtelės galo. Kristale liko skylė. Vėliau japonai mikroskopo smaigalį su prie jo prikibusiu atomu padėjo prie skylės ir paliko joje atomą. Viso to ateityje gali prireikti gaminant nanometrų dydžio elektronikos prietaisus ir grandynus, kurių komponentus sudarys vos po kelis atomus. Kadangi tokių grandynų gamybai prireiks elektrai nelaidžių medžiagų, reikėjo surasti kaip tokiuose atomuose iš vietos į vietą kilnoti atskirus atomus.

Šaltinių literatūros sąrašas:
1.P. Brazdžiūnas “Bendroji fizika III”.
2.Enciklopedija “Mokslas ir visata”.
3. Internetas.

Leave a Comment