Referatas Optinė mikroskopija. elektroninė mikroskopija. atominių jėgų ir skenuojantis tunelinis mikroskopas
Turinys
Optinėmikroskopija……………………………………………………….……………………. 2Elektroninėmikroskopija……………………………………………………….…………….. 6Atominių jėgų ir skenuojantis tunelinismikroskopas………………………………………………………..……………………………… 8Naudotaliteratūra……………………………………………………………………………….. 10 Optinė mikroskopija
Pirmasis praktinis mikroskopas buvo pagamintas 1590 metais. Jis buvosukurtas olandų mokslininko Zacharijaus Jenseno ir buvo sudarytas išdaugybės lęšių. 1610 Galilejo Galilejus šį mikroskopą pastebimaipatobulino, tačiau jis visgi netapo labai plačiai taikytinas tų laikųmoksle. Lęšių šlifavimas sparčiai tobulėjo ir 1650 metais jau buvomikroskopuose naudojami pavieniai gan didelės galios lęšiai. 1658 metaispanaudojus mikroskopą buvo pastebėti raudonieji kraujo kūneliai. Tą padarėolandų biologas Janas Svamerdamas. Netrukus Antonijus Van Leuvenhokas tapopirmuoju asmeniu, kuris pastebėjo įvairių rūšių bakterijas. Kepleris beiHiuigensas taip pat įdiegė nemažai naujovių tobulinant mikroskopus. Mikroskopai būna paprastieji ir sudėtingieji. Paprastąjį mikroskopąsudaro glaudžiamasis lęšis (kartais sudėtas iš kelių)(1 pav.) , kuriožidinio nuotolis yra nedidelis (nuo 1 iki 10 cm). [pic] 1 pav.
Stebint pro jį, objektas A1 padedamas tokiame nuotolyje, kad aiškiausioregėjimo (25 cm) nuo akies nuotolyje susidarytų menamas ir padidintasstebimojo objekto atvaizdas A2. Nustatant paprastojo mikroskopo didinimą,svarbu surasti, kokiu kampu bus matomas objektas aiškiausio regėjimonuotolyje plika akimi ir pro mikroskopą. Pirmuoju atveju tg α1 ═ y1/D, oantruoju tgα2 ═ y2/D, čia y1 ir y2 yra objekto ir jo atvaizdo ilgis, D –aiškiausio regėjimo nuotolis. Taigi didinimas V ═ tgα2/tgα1 ═ y2/y1. Iš 1paveikslėlio matyti, kad y2/y1 ═ α2/α1. Iš lęšio formulės išreiškę α1 perα2 ir f ir α2 prilyginę, gausime paprastojo mikroskopo (didinamojo stiklo)didinimą [pic] (1) čia D yra aiškiausio regėjimo nuotolis, f – lęšio židinio nuotolis. Betpaprastai f < D, todėl D/f yra žymiai didesnis už vienetą, taigiapytiksliai [pic] (2) Trumparegių akių D mažesnis už toleregių, todėl ir didinimas tuo atveju
yra mažesnis. [pic] 2 pav.Žymiems didinimams gauti naudojami optiniai prietaisai, sudėti išdviejų optinių sistemų – objektyvo ir okuliaro (2 pav.). Praėję proobjektyvą Ob spinduliai sudaro objekto A1 tikrą ir padidintą atvaizdą A‘prie okuliaro židinio plokštumos. Šis atvaizdas stebimas pro okuliarą Ok,kuris yra paprastas mikroskopas. Taigi akys mato menamą ir tiesų atvaizdoA‘ atvaizdą A2. Apskritai, dviejų optinių sistemų (objektyvo ir okuliaro) didinimą taipgalime išreikšti. Pažymėkime paties objekto A1 ir jo atvaizdų A‘ bei A2dydį atitinkamai y1, y‘, y2; jų nuotolius nuo lęšių α1, α2‘, α1‘, α2. Tadavisos sistemos didinimas [pic]. (3) Okuliaro didinimas [pic]. (4) Prisiminus lęšio formulę, objektyvo didinimą galima išreikšti dvejopai: [pic]. (5) Tada visos sistemos didinimas [pic]. (6) Sudėtingą mikroskopą sudaro objektyvas Ob ir okuliaras Ok, įtvirtintitubuse, kurį palaiko stovas (3 pav.). [pic] 3 pav. Sudėtingasis mokroskopas
Apatinėje stovo dalyje įtaisytas objekto staliukas S ir kondensorius Kšviesos srautui surinkti ir nukreipti į objektą. Mikroskopo didinimąsurandame iš formulės, gautos visos sistemos didinimui, laikydami, kadα2‘>>f1, nes objektyvo židinio nuotolis yra trumpas, o tiriamasis objektasyra arti jo priešakinio židinio. Be to, α2‘ apytikriai yra lygus tubusoilgiui l. Taigi [pic] (7) Kad panaikintų trūkumus, mikroskopo objektyvus ir okuliarus sudeda išdviejų 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 antkito, daro atvaizdą nebeaiškų. Kai taškai yra labai arti, tai atvaizdenebegalėsime jų išskirti. Optinio prietaiso skiriamąja galia laikomemažiausią nuotolį tarp artimų taškų, kuriuos atvaizde dar stebimeatskirai.Šią sąlygą Relejus taip apibūdina:
skyrimo riba laikoma tokia padėtis, kai vieno taško difrakcinioatvaizdo tamsusis žiedas kerta gretimo šviesųjį skritulėlį. Abė parodė, kad, šią sąlygą išlaikant, nuotolis tarp taškų [pic], (8) čia u yra apertūrinis kampas, kuriuo matomas objektyvo radiusas išobjekto taško optinėje ašyje, n – aplinkos lūžio rodiklis, λ – šviesosbangos ilgis. Dydį n*sin u vadiname skaitine objektyvo apertūra; a galimesumažinti, taigi skiriamąją galią padidiname, arba nušviesdami objektątrumpesnių bangų šviesa, pvz., ultravioletiniais spinduliais, arbadidindami skaitinę apertūrą. Siekiant padidinti skiriamąją galia pirmuojubūdu, buvo padaryti kvarciniai ir rentgeno spindulių mikroskopai. Naudojantultravioletinius spindulius objektams apšviesti, stiklo optiką reikiapakeisti brangia kvarco arba fluorito optika. Rentgeno spinduliųmikroskopai yra labai sudėtingi ir praktiškai sunkiai naudojami. Didinantskaitinę apertūrą, taipgi galima padidinti mikroskopo skiriamąją galią.Šiuo tikslu naudojama imersijos sistema. Objektas ir objektyvas įmerkiami įskaidrų didelio lūžimo rodiklio skystį, pvz., kedro aliejų arba monobromonaftaliną. Pastaruoju atveju skaitinė apertūra siekia 1,6. Paprastai, mikroskopą naudojame tiriamųjų objektų struktūrai stebėti.Bet išskirti struktūrą galime tik tada, kai difrakcijos skritulėliai yramaži, palyginti su pačios struktūros matmenimis. Priešingu atvejuskritulėliai susilies, ir jokios struktūros nebepastebėsime. Imersinėsistema, pasižymėdama dideliu lūžimo rodikliu, mažina spindulių nukrypimą,taigi mažėja ir difrakcijos skritulėlių plotis, šiuo atveju galime išskirtismulkesnę struktūrą. Kai norime labai smulkius objektus, pvz., bakterijas, koloidinesdaleles ir kt. tik pamatyti, bet ne jų struktūrą bei formą ištirti,naudojame ultramikroskopą. Stebimas daleles nušviečiame ne stačiai, bet iššalies, kaip parodyta 4 paveikslėlyje. [pic] 4 pav. Šviesos šaltinio L spinduliai nušviečia objektą O. Išbarstytusspindulius stebime mikroskopu M. Šiuo atveju paprastu mikroskopunebepastebimos (apie 10-6mm) dalelės spindi tamsiame dugne šviesiomisapskritomis žvaigždelėmis. Šios rūšies mikroskopus vadinameultramikroskopais.Elektronininė mikroskopija
Mikroskopo skiriamąją galią galime padidinti (sumažinti), sumažindaminušviečiančios objektą šviesos bangos ilgį λ, arba padidinę mikroskoposkaitinę apertūrą n*sin u, naudodami imersijos sistemą. Elektroninių bangųλ priklauso nuo elektronų greičio v, atseit, nuo elektronus pagreitinančiopotencialo φ, nes [pic] (9) Didindami φ, galime sutrumpinti λ. Taigi naudodami elektronines bangasobjektams nušviesti, galime žymiai padidinti mikroskopo skiriamąją galią.Šiam tikslui gaminami elektroniniai mikroskopai. Pagal naudojamąelektroninę optiką jie skirstomi į 2 grupes: magnetinius irelektrostatinius. Magnetiniuose elektroniniuose mikroskopuose naudojamimagnetiniai lęšiai. Elektroninės patrankėlės P emituotas elektronų pluoštas, suglaustaskondensoriaus K, krinta į tiriamąjį objektą O ir jį nušviečia. Išbarstytiobjekto, jie praeina objektyvą Ob, kuris sudaro objekto atvaizdą A. Toliauelektronai praeina pro okuliarą Ok ir jo, suglausti, sudaro ekrane E arbafotoplokštelėje padidintą ir apverstą tiriamojo objekto atvaizdą, kurįstebime arba fotografuojame. Elektrostatiniuose elektroniniuosemikroskopuose naudojami elektriniai lęšiai. Elektroninių mikroskopų lęšiaiyra sumontuoti sandariame vamzdyje, iš kurio išsiurbiamas oras. Vamzdispastatomas ant staliuko. Už vamzdžio spintoje surenkami elektronineioptikai maitinti elektrinis blokas ir oro siurblių agregatas (10-4-10-5 toreilės) vakuumui vamzdyje palaikyti. Elektrinių mikroskopų skiriamoji galia siekia 10-100 Ao, taigi tolipralenkia optinių mikroskopų skiriamąją galią (2000 Ao). Aiškiems irneiškraipytiems atvaizdams sudaryti ypač svarbu gauti visai monochromatinį,t.y. vienodo greičio elektronų pluoštą, taigi pagreitinantis elektronuspotencialas φ turi būti labai stabilus. Šalia elektroninių mikroskopųmoksliniams tyrimams naudojami elektronografai. Jais gauname elektronodifrakciją ir galime ją stebėti bei fotografuoti. Iš difrakcijos vaizdųsprendžiame apie difrakcijos centrų išsidėstymą, atseit, apie objektųstruktūrą. Šiuolaikiniai elektroniniai mikroskopai, paprastai, aprūpinamiir papildomais įtaisais elektronų difrakcijos vaizdams gauti.
Atominių jėgų ir skenuojantis tunelinis mikroskopai
Japonų mokslininkams pavyko naudojant mechaninę jėgą suimti vienąatomą, iškelti jį iš vietos kristale, o po to vėl ten pat padėti. Supavieniais atomais tai buvo padaryta pirmąsyk – iki šiol visada reikėdavoelektros srovės. Noriaki Oyabu vadovaujama Osakos universiteto grupė savoeksperimentą aprašė žurnale “Physical Review Letters”. Oyabu sako: “Tai yratas pat, lyg naudodamas Empire State Building dangoraižį pabandytumėtearbūzų lauke paimti vieną konkretų arbūzą.” Mikroskopiškame atomų pasaulyjemikroskopai yra naudojami ne tik vaizdams rodyti, bet ir nedidelėmsdalelėms judinti iš savo vietos. Yra du tokie prietaisai. Skenuojančiametuneliniame mikroskope adatėlė važiuoja prie pat tiriamosios medžiagospaviršiaus.Tarpas tarp adatos ir paviršiaus tėra kelių atominių atstumųdydžio. Tiesą sakant, tas tarpas neleidžia tekėti elektros srovei tarpelektriškai įkrautos adatos ir medžiagos. Bet, dėl kvantų mechanikosnumatomo “tuneliavimo” reiškinio, elektronai vis tik sugeba įveikti tarpą,todėl silpna srovė, priklausanti nuo tarpo dydžio, teka. Jeigu atstumassumažėja dešimčia nanometrų, srovė išauga dešimt kartų. Pagal srovės dydįgalima apskaičiuoti atstumą tarp adatos ir atomų ir, galiausiai, sudarytipaviršiaus reljefo vaizdą. 1989 m. naudodamiesi tokiu mikroskopu firmos IBMinžinieriai sugebėjo iš 35 ksenono atomų sudėlioti savosios kompanijosemblemą. Tam jie prijungdavo prie adatos didesnę įtampą, kuri pakeldavo irleisdavo judinti atskirus atomus. Bet šį metodą buvo galima taikyti tikelektrai laidžioms medžiagoms. Japonų grupės naudojamas atominės jėgosmikroskopas veikia kitaip. Šiame prietaise matavimus atlieka maža svirtelė,svyruojanti kairėn dešinėn. Ši svirtelė yra traukiama netoli nuo tiriamopaviršiaus. Įvairios jėgos, atsirandančios labai arti nuo paviršiujeesančių medžiagos atomų, veikia ir svirtelę. Naudodami lazerio pluoštelį
mokslininkai nustato, kiek toli ji pajuda į šoną. Taigi matavimai yraatliekami be elektros srovės. Naudodami tokį mikroskopą Oyabu ir jo kolegospabandė pajudinti medžiagos atomus nenaudodami jokios srovės. Fizikaišvelniai prispaudė svirtelę prie vieno iš silicio kristalo atomų. Jėga buvoapskaičiuota taip, kad ji nutraukė vadinamąsias kovalentines jungtis iratomas pajudėjo iš savo vietos. Silicio atomas liko pakibęs ant svirtelėsgalo. Kristale liko skylė. Vėliau japonai mikroskopo smaigalį su prie joprikibusiu atomu padėjo prie skylės ir paliko joje atomą. Viso to ateityjegali prireikti gaminant nanometrų dydžio elektronikos prietaisus irgrandynus, kurių komponentus sudarys vos po kelis atomus. Kadangi tokiųgrandynų gamybai prireiks elektrai nelaidžių medžiagų, reikėjo surasti kaiptokiuose atomuose iš vietos į vietą kilnoti atskirus atomus.Naudota literatūra
1. Brazdžiūnas P., Bendroji fizika III. 2. Enciklopedija “Mokslas ir visata”. 3. http://www.mokslo.centras.lt