Почему микроскоп увеличивает?

«Потому что он изменяет ход лучей определенным образом, описанным в учебниках физики», – вот что чаще всего приходится слышать в ответ на этот вопрос. Но в таком ответе указывается причина; самая же сущность дела не затрагивается. В чем же основная причина увеличительного действия микроскопа и телескопа?

Я узнал ее не из учебника, а постиг случайно, когда школьником заметил однажды чрезвычайно любопытное и сильно озадачившее меня явление. Я сидел у закрытого окна и смотрел на кирпичную стену дома в противоположной стороне узкого переулка. Вдруг я в ужасе отшатнулся: с кирпичной стены – я ясно увидел это! – смотрел на меня исполинский человеческий глаз в несколько метров ширины… В то время я еще не читал приведенного сейчас рассказа Эдгара По и потому не сразу сообразил, что исполинский глаз был отражением моего собственного, отражением, которое я проектировал на отдаленную стену и потому представлял себе соответственно увеличенным.

Рисунок 128. Линза увеличивает изображение на сетчатке глаза.

Догадавшись же, в чем дело, я стал размышлять о том, нельзя ли устроить микроскоп, основанный на этом обмане зрения. И вот тогда, когда я потерпел неудачу, мне стало ясно, в чем сущность увеличительного действия микроскопа: вовсе не в том, что рассматриваемый предмет кажется больших размеров, а в том, что он рассматривается нами под большим узлом зрения, а следовательно, – и это самое важное, – его изображение занимает больше места на сетчатке нашего глаза.

Чтобы понять, почему столь существенное значение имеет здесь угол зрения, мы должны обратить внимание на важную особенность нашего глаза: каждый предмет или каждая его часть, представляющиеся нам под углом, меньшим одной угловой минуты, сливаются для нормального зрения в точку, в которой мы не различаем ни формы, ни частей. Когда предмет так далек от глаза или так мал сам по себе, что весь он или отдельные части его представляются под углом зрения менее 1°, мы перестаем различать в нем подробности его строения. Происходит же это потому, что при таком угле зрения изображение предмета на дне глаза (или изображение какой‑либо части предмета) захватывает не множество нервных окончаний в сетчатке сразу, а умещается целиком на одном чувствительном элементе: подробности формы и строения тогда исчезают, – мы видим точку.

Роль микроскопа и телескопа состоит в том, что, изменяя ход лучей от рассматриваемого предмета, они показывают его нам под большим углом зрения; изображение на сетчатке растягивается, захватывает больше нервных окончаний, и мы различаем уже в предмете такие подробности, которые раньше сливались в точку. «Микроскоп или телескоп увеличивает в 100 раз», – это значит, что он показывает нам предметы под углом зрения в 100 раз большим, чем мы видим их без инструмента. Если же оптический инструмент не увеличивает угла зрения, то он не дает никакого увеличения, хотя бы нам и казалось, что мы видим предмет увеличенным. Глаз на кирпичной стене казался мне огромным, – но я не видел в нем ни одной лишней подробности по сравнению с тем, что вижу, глядя в зеркало. Луна низко у горизонта кажется нам заметно большей, чем высоко на небе, – но разве на этом увеличенном диске замечаем мы хоть одно лишнее пятнышко, неразличимое при высоком стоянии Луны?

Если обратимся к случаю увеличения, описанному в рассказе Эдгара По «Сфинкс», мы убедимся, что и здесь в увеличенном объекте не было усмотрено никаких новых частностей. Угол зрения оставался неизменным, бабочка видна под одним и тем же углом, относим ли мы ее далеко в лес или близко к раме окна. А раз не меняется угол зрения, то увеличение предмета, как бы ни поражал он ваше воображение, не открывает наблюдателю ни одной новой подробности. Как истинный художник, Эдгар По верен природе даже и в этом пункте своего рассказа. Заметили ли вы, как описывает он «чудовище» в лесу: перечень отдельных членов насекомого не заключает ни одной новой черты по сравнению с тем, что представляет «мертвая голова» при наблюдении невооруженным глазом. Сравните оба описания, – они не без умысла приведены в рассказе, – и вы убедитесь, что отличаются они только в словесных выражениях (10‑футовые пластинки – чешуйки, гигантские рога – усики; кабаньи клыки – щупальца и т. д.), но никаких новых подробностей, неразличимых простым глазом, в первом описании нет.

Если бы действие микроскопа заключалось лишь в таком увеличении, он был бы бесполезен для науки, превратившись в любопытную игрушку, не более. Но мы знаем, что это не так, что микроскоп открыл человеку новый мир, далеко раздвинув границы нашего естественного зрения:

Хоть острым взором нас природа одарила,

Но близок оного конец имеет сила.

Коль много тварей он еще не досягает,

Которых малый рост пред нами сокрывает!

– писал наш первый натуралист Ломоносов в «Письме о пользе стекла». Но «в нынешних веках» нам микроскоп открыл строение мельчайших, невидимых существ.

Коль тонки члены в них, составы, сердце, жилы

И нервы, что хранят в себе животны силы!

Не меньше, нежели в пучине тяжкий кит.

Нас малый червь частей сложением дивит…

Коль много микроскоп нам тайности открыл

Невидимых частиц и тонких в теле жил!

Теперь мы можем уже дать себе ясный отчет в том, почему именно микроскоп открывает нам «тайность», которую не усмотрел на своем чудовище‑бабочке наблюдатель в рассказе Эдгара По: потому что – подведем итог сказанному – микроскоп не просто представляет нам предметы в увеличенном виде, а показывает их под большим углом зрения; вследствие этого на задней стенке глаза рисуется увеличенное изображение предмета, действующее на более многочисленные нервные окончания и тем доставляющее нашему сознанию большее число отдельных зрительных впечатлений. Коротко говоря: микроскоп увеличивает не предметы, а их изображения на дне глаза.

ПОЧЕМУ МИКРОСКОП УВЕЛИЧИВАЕТ?

«Потому что он изменяет ход лучей определенным образом, описанным в учебниках физики», – вот что чаще всего приходится слышать в ответ на этот вопрос. Но в таком ответе указывается причина; самая же сущность дела не затрагивается. В чем же основная причина увеличительного действия микроскопа и телескопа?

Я узнал ее не из учебника, а постиг случайно, когда школьником заметил однажды чрезвычайно любопытное и сильно озадачившее меня явление. Я сидел у закрытого окна и смотрел на кирпичную стену дома в противоположной стороне узкого переулка. Вдруг я в ужасе отшатнулся: с кирпичной стены – я ясно увидел это! – смотрел на меня исполинский человеческий глаз в несколько метров ширины… В то время я еще не читал приведенного сейчас рассказа Эдгара По и потому не сразу сообразил, что исполинский глаз был отражением моего собственного, отражением, которое я проектировал на отдаленную стену и потому представлял себе соответственно увеличенным.

Догадавшись же, в чем дело, я стал размышлять о том, нельзя ли устроить микроскоп, основанный на этом обмане зрения. И вот тогда, когда я потерпел неудачу, мне стало ясно, в чем сущность увеличительного действия микроскопа: вовсе не в том, что рассматриваемый предмет кажется больших размеров, а в том, что он рассматривается нами под большим углом зрения, а следовательно, – и это самое важное, – его изображение занимает больше места на сетчатке нашего глаза.

Линза увеличивает изображение на сетчатке глаза.

Чтобы понять, почему столь существенное значение имеет здесь угол зрения, мы должны обратить внимание на важную особенность нашего глаза: каждый предмет или каждая его часть, представляющиеся нам под углом, меньшим одной угловой минуты, сливаются для нормального зрения в точку, в которой мы не различаем ни формы, ни частей. Когда предмет так далек от глаза или так мал сам по себе, что весь он или отдельные части его представляются под углом зрения менее 1", мы перестаем различать в нем подробности его строения. Происходит же это потому, что при таком угле зрения изображение предмета на дне глаза (или изображение какой-либо части предмета) захватывает не множество нервных окончаний в сетчатке сразу, а умещается целиком на одном чувствительном элементе: подробности формы и строения тогда исчезают, – мы видим точку.

Роль микроскопа и телескопа состоит в том, что, изменяя ход лучей от рассматриваемого предмета, они показывают его нам под большим углом зрения; изображение на сетчатке растягивается, захватывает больше нервных окончаний, и мы различаем уже в предмете такие подробности, которые раньше сливались в точку. «Микроскоп или телескоп увеличивает в 100 раз», – это значит, что он показывает нам предметы под углом зрения в 100 раз большим, чем мы видим их без инструмента. Если же оптический инструмент не увеличивает угла зрения, то он не дает никакого увеличения, хотя бы нам и казалось, что мы видим предмет увеличенным. Глаз на кирпичной стене казался мне огромным, – но я не видел в нем ни одной лишней подробности по сравнению с тем, что вижу, глядя в зеркало. Луна низко у горизонта кажется нам заметно большей, чем высоко на небе, – но разве на этом увеличенном диске замечаем мы хоть одно лишнее пятнышко, неразличимое при высоком стоянии Лупы?

Если обратимся к случаю увеличения, описанному в рассказе Эдгара По «Сфинкс» , мы убедимся, что и здесь в увеличенном объекте не было усмотрено никаких новых частностей. Угол зрения оставался неизменным, бабочка видна под одним и тем же углом, относим ли мы ее далеко в лес или близко к раме окна. А раз не меняется угол зрения, то увеличение предмета, как бы ни поражал он ваше воображение, не открывает наблюдателю ни одной новой подробности. Как истинный художник, Эдгар По верен природе даже и в этом пункте своего рассказа. Заметили ли вы, как описывает он «чудовище» в лесу: перечень отдельных членов насекомого не заключает ни одной новой черты по сравнению с тем, что представляет «мертвая голова» при наблюдении невооруженным глазом. Сравните оба описания, – они не без умысла приведены в рассказе, – и вы убедитесь, что отличаются они только в словесных выражениях (10-футовые пластинки – чешуйки, гигантские рога – усики; кабаньи клыки – щупальца и т. д.), но никаких новых подробностей, неразличимых простым глазом, в первом описании нет.

Если бы действие микроскопа заключалось лишь в таком увеличении, он был бы бесполезен для науки, превратившись в любопытную игрушку, не более. Но мы знаем, что это не так, что микроскоп открыл человеку новый мир, далеко раздвинув границы нашего естественного зрения:

– писал наш первый натуралист Ломоносов в «Письме о пользе стекла». Но «в нынешних веках» нам микроскоп открыл строение мельчайших, невидимых существ.

Теперь мы можем уже дать себе ясный отчет в том, почему именно микроскоп открывает нам «тайность», которую не усмотрел на своем чудовище-бабочке наблюдатель в рассказе Эдгара По: потому что – подведем итог сказанному – микроскоп не просто представляет нам предметы в увеличенном виде, а показывает их под большим углом зрения; вследствие этого на задней стенке глаза рисуется увеличенное изображение предмета, действующее на более многочисленные нервные окончания и тем доставляющее нашему сознанию большее число отдельных зрительных впечатлений. Коротко говоря: микроскоп увеличивает не предметы, а их изображения на дне глаза.

где l – расстояние между верхним фокусом объектива и нижним фокусом окуляра; L – расстояние наилучшего видения; равное 25 см; F 1 и F 2 – фокусные расстояния объектива и окуляра.

Зная фокусные расстояния F 1 , F 2 и расстояние между ними l можно найти увеличение микроскопа.

На практике не используются микроскопы с увеличением свыше 1500–2000, т.к. возможность различения мелких деталей объекта в микроскопе ограничена. Это ограничение обусловливается влиянием дифракции света, в проходящей структуре данного объекта. В связи с этим пользуются понятиями предела разрешения и разрешающей способности микроскопа.

Определение предела разрешения микроскопа

Пределом разрешения микроскопа называется то наименьшее расстояние между двумя точками предмета, при котором они видимы в микроскопе раздельно. Это расстояние определяется по формуле:

,

где λ – длина волны света; n – показатель преломления среды между объективом и объектом; u – апертурный угол объектива, равный углу между крайними лучами конического светового пучка, входящего в объектив микроскопа.

Реально свет от предмета распространяется к объективу микроскопа в некотором конусе (рис. 2 а), который характеризуется угловой апертурой – углом u между крайними лучами конического светового пучка, входящего в оптическую систему. В предельном случае, согласно Аббе, крайними лучами конического светового пучка будут лучи, соответствующие центральному (нулевому) и 1-му главному максимумам (рис. 2 б).

Величина 2nsin U называется числовой апертурой микроскопа. Числовая апертура может быть увеличена с помощью специальной жидкой среды – иммерсии – в пространстве между объективом и покровным стеклом микроскопа.

В иммерсионных системах по сравнению с тождественными "сухими" системами получают больший апертурный угол (рис. 3).

Рис.3. Схема иммерсионной системы

В качестве иммерсии используют воду (n = 1,33), кедровое масло (n = 1,514) и др. Для каждой иммерсии специально рассчитывают объектив, и его можно применять только с данной иммерсией.

Из формулы видно, что предел разрешения микроскопа зависит от длины волны света и числовой апертуры микроскопа. Чем меньше длина волны света и чем больше величина апертуры, тем меньше Z, а, следовательно, больше предел разрешения микроскопа. Для белого (дневного) света можно принять среднее значение длины волны λ = 0,55мкм. Показатель преломления для воздуха равен n = 1.

Микроскоп мбс-1

МБС-1 – cтереоскопический микроскоп, дающий прямое объемное изображение рассматриваемого предмета как в проходящем, так и в отраженном свете.

Микроскоп состоит из 4 основных частей:

– cтолик;

– штатив;

– оптическая головка с механизмом грубой подачи;

– окулярная насадка.

Столик микроскопа состоит из круглого корпуса, внутри которого вмонтирован поворотный отражатель с зеркальной и матовой поверхностями. Для работы с дневным освещением в корпусе предусмотрен вырез, через который свободно проходит свет. С задней стороны корпуса столика имеется резьбовое отверстие для работы с электрическим осветителем. На штативе микроскопа крепится оптическая головка – основная часть прибора, в которую вмонтированы наиболее ответственные оптические узлы.

В корпусе оптической головки помещен барабан с с установленными в нем галилеевыми системами. Вращением оси барабана с помощью рукояток с нанесенными цифрами 0,6; 1; 2; 4; 7 добиваются различного увеличения объективов. Каждое положение барабана четко фиксируется специальным пружинным фиксатором. С помощью рукоятки на штативе микроскопа, перемещающей оптическую головку, добиваются наиболее резкого изображения рассматриваемого объекта.

Вся оптическая головка может перемещаться по стержню штатива и закрепляться в любом положении с помощью винта. Окулярная насадка состоит из направляющей, представляющей прямоугольную деталь с двумя отверстиями для оправ объективов.

Наблюдая в окуляры нужно разворотом окулярных трубок найти такое положение, при котором два изображения сводятся в одно. Далее произвести фокусировку микроскопа на исследуемый предмет, а вращением отражателя добиться равномерного освещения поля. При настройке освещенности патрон с лампой перемещается в сторону коллектора до получения наилучшей освещенности наблюдаемого объекта.

В основном МБС-1 предназначен для препарировальных работ, для наблюдения объектов, а также для проведения линейных измерений или измерений площадей участков препарата. Оптическая схема микроскопа представлена на рис. 4.

Оптическая схема микроскопа МБС-1 представлена на рис. 4.

При работе в проходящем свете источник света (1) с помощью отражателя (2) и коллектора (3) освещает прозрачный препарат, установленный на предметный столик (4).

В качестве объектива применена специальная система, состоящая из 4-х линз (5) с фокусным расстоянием = 80 мм и 2-х пар галилеевых систем (6) и (7), за которыми находятся объективы (8) с фокусным расстоянием 160 мм, которые образуют изображение объекта в фокальных плоскостях окуляров.

Общее линейное увеличение оптической системы, состоящей из объектива (5), галилеевых систем (6) и (7) и объективов (8) составляет: 0,6; 1; 2; 4; 7. За объективами (8) установлены 2 призмы Шмидта (9), которые позволяют разворачивать окулярные трубки по глазу наблюдателя без разворота изображения объектива.

	1 – источник света; 2 – отражатель; 3 – коллектор; 4 – предметный столик; 5 – объектив (F = 80 мм); 6, 7 – галилеевы системы; 8 – объективы (F = 160 мм); 9 – призмы Шмидта; 10 – окуляры.
Рис. 4. Оптическая схема микроскопа МБС-1

К микроскопу МБС-1 прилагаются 3 пары окуляров (10) с увеличением 6; 8; 12,5 и один окулярный микрометр 8-кратного увеличения с сеткой. Они позволяют варьировать общее увеличение микроскопа от 3,6 до 88 (табл. 1). Общее увеличение микроскопа – произведение увеличения окуляра на увеличение объектива.

Таблица 1.

Оптическая характеристика микроскопа МБС-1

Увеличение	Увеличение объектива

Лупа и микроскоп служат основными увеличительными приборами, которые используются для научных исследований. Они позволяют заглянуть внутрь клеток живых организмов и узнать их строение.

Устройство лупы

Самый простой увеличительный прибор - лупа . Главная ее часть - выпуклое увеличительное стекло - линза, вставленное в оправу. Лупы дают увеличение от 2,5 до 10 и даже до 25 раз. Одни из них имеют ручку (ручная лупа), другие закреплены в специальном штативе (штативная лупа). Ручной лупой можно пользоваться не только в лаборатории, но и во время наблюдений в природе. Штативная лупа имеет столик и укрепленное под ним зеркало. Рассматриваемый объект кладут на столик и освещают с помощью зеркала.

Устройство светового микроскопа

Микроскоп - сложный прибор, дающий увеличение в десятки, сотни и даже тысячи раз. В школе обычно пользуются световым микроскопом. Он состоит из зрительной трубы, штатива со столиком и зеркала. Зрительная труба имеет увеличительные стекла: нижние собраны в объективе, верхние - в окуляре (лат. oKulUS - глаз). Чтобы узнать увеличение микроскопа, надо перемножить цифры, указанные около стекол объектива и окуляра (например, 20×7= 140 означает, что микроскоп увеличивает в 140 раз). Для рассмотрения объекта под микроскопом готовят микропрепарат. Микропрепарат размещается на предметном столике. В отверстие столика и зрительную трубу направляют световые лучи с помощью зеркала. Благодаря этому препарат освещается и его детали хорошо просматриваются. Винты штатива микроскопа предназначены для механического приближения или удаления зрительной трубы с линзами к предметному столику. Это позволяет установить такое расстояние до глаз, при котором препарат виден четко.

Этапы работы с микроскопом

1. Поставить микроскоп ручкой штатива и окуляром к себе, а зеркалом - к источнику света. Установить зеркало так, чтобы в поле зрения был хорошо виден освещенный круг (смотреть в окуляр надо одним глазом, не закрывая второй).
2. Приготовить микропрепарат.
3. Положить препарат над отверстием в предметном столике и закрепить его зажимами.
4. Опуская зрительную трубу с помощью винта, следить, чтобы нижнее увеличительное стекло не касалось препарата (при малом увеличении расстояние между увеличительным стеклом и предметом должно быть около 1 см).
5. Отрегулировать резкость изображения винтами настройки.
6. Передвигая предметное стекло но столику, найти место, где клетки видны наиболее четко.

Правила работы с микроскопом

1. Переносить микроскоп следует двумя руками. Одной рукой держать прибор за штатив, другой - поддерживать подставку снизу.
2. Следить, чтобы во время настройки линзы объектива не коснулись препарата.
3. Не трогать руками увеличительные стекла, не снимать их со зрительной трубы.
4. После завершения работы столик протереть чистой салфеткой, микроскоп убрать в футляр.

Популяризация исследований микромира в домашних условиях способствует большому притоку новичков, решивших приобщиться к этому занятию и заодно привлечь своих детей. Оставшись с прибором «один на один» многие гадают какое увеличение дает микроскоп. Кажется, что чем оно больше, тем лучше. Но это не так, ибо на практике есть пределы оптики, выше которых «не прыгнешь». Поэтому, если у вас детская модель начального уровня с оптоволокном вместо стекла, то 100-200х-это максимум, на что она способна.

Какое увеличение дает микроскоп можно легко подсчитать по простой формуле. На используемом объективе (они располагаются на револьверной головке над предметным столиком) написаны значения, обычно их три: 4х, 10х и 40х. На окуляре (вставляется в окулярную трубку, в него смотрим) также есть маркировка, например, 16х.

Тогда просто перемножим их кратности! Пример: 40*16=640 крат.

Однако, у несложной математики имеется подвох, которым часто пользуются производители микроскопов-игрушек (то есть не настоящих). Установив на хлипкие пластиковые револьверы очень тонкие по диаметру оптические элементы они добиваются, что теоретически можно получить 900х, а то и 1200х. На деле оказывается, что перед взором предстает мутное пятно, ничего не возможно рассмотреть. Неизбежно наступает разочарование и ставится жирный крест на микроскопии, как интересном и доставляющем удовольствие хобби.

Почему такое происходит? По причине неосведомленности новоиспечённых биологов. Существует термин «полезное увеличение»: оптимальное, качественное. На нем комфортнее всего рассматривать любые образцы: от микропрепаратов до твердых предметов, не пропускающих свет. Оно осуществляется без потери качества картинки, не болят и не устают глаза, не раздражает рябь и засветка. Исследователь чувствует себя комфортно, будто между ним и объектом наблюдения ничего лишнего нет. Именно это надо ставить во главе всего и четко понимать, чем грозят выходы за лимиты полезности. Разве кому-то будет приятно наблюдать инфузорию туфельку, если даже не различить привычных очертаний, которые помним из учебников?

Рекомендации будут такими: для использования подойдет любой микроскоп , который эксплуатируется в школах (ведь не просто так министерство образования позволяет их закупать!) - увеличение до 640х, это достаточно, чтобы с комфортом изучить курс биологии с 7 по 11 классы. Например, самый тоненький человеческий волос будет размером с палец среднестатистического взрослого человека. Перечень доступных для просмотра препаратов солидный: одноклеточные организмы, срезы растений (клетки), жизнь в капле воды. Если есть встроенная верхняя подсветка или настольная лампа, то к списку можно добавить металлические изделия, камни, ткани и т.д. Как вы уже поняли для этого не нужно огромное приближение (тем более бесполезное, с искажениями), а важнее всего позаботиться о том, чтобы сама техника была высококачественной. От этого зависит весь дальнейший путь по таинственным дебрям микробиологии - или вы получите удовлетворение и новые знания, или нет.