Микроскоп из капли воды
Дата публикации: 22-08-2014Рубрика: ЮТ №2 1982 год
Я увлекаюсь биологией, и в работе мне необходим микроскоп. В школе они есть, но пользоваться ими можно лишь в часы уроков. Ведь даже самый простой микроскоп стоит недешево и требует бережного ухода. Интересно, можно ли добиться большого увеличения с помощью подручных средств, не пользуясь дорогостоящей техникой?
Сергей Паламарчук, г. Гомель
Семиклассник Саше Путятин живет в городе ученых, подмосковной Дубне, и очень увлекается физикой. Как-то раз, перелистывая научно-популярную книжку, он наткнулся на любопытную картинку. На ней были изображены какие-то шарики, а внизу стояла подпись: «Фотография молекул, полученная с помощью электронного микроскопа». Переворошив в уме учебник физики, мальчик быстро представил себе другую, знакомую картинку: кусок проволоки и движущиеся внутри него точки со знаком «минус» — электроны. Как же с помощью этих частичек удалось получить фотографию? И Саша побежал за разъяснениями к соседу по лестничной клетке Андрею Гурьеву. Андрей учится в десятом классе и готовится поступать в университет на физический факультет. Лучшего консультанта для Саши и придумать трудно…
— Тебя интересует электронный микроскоп? — переспросил Андрей. — А знаешь ли ты, как работает обычный?
— А чего же тут сложного? — воскликнул Саша. — Берешь несколько линз, вставляешь их в трубку — вот тебе и микроскоп!
Андрей засмеялся:
— Действительно, как просто! Сразу и микроскоп, и подзорная труба! Но шутки в сторону. Как ты думаешь, из одной линзы можно сделать микроскоп?
— Ну, это я знаю. Когда одна линза, такой прибор называется лупой.
— Правильно. Но знаешь ли ты, что голландский биолог Антони ван Левенгук, первым увидевший микронаселение пруда, пользовался лупой, а этот прибор сейчас называется микроскопом Левенгука? Причем, увеличением он обладал таким же, как обычный современный микроскоп.
— Непонятно, зачем же тогда делают многолинзовые микроскопы, если достаточно иметь всего одну?
— Это очень интересный вопрос. Давай в нем разберемся…
Человеческий глаз может различить мелкую структуру, если расстояние между двумя элементами этой структуры больше 0,08 мм. Но жизнь ставит задачи, в которых надо рассматривать объекты со структурой гораздо более мелкой. Здесь и приходят на помощь оптические приборы. Увеличение, которое можно получить с помощью одной линзы, определяется как 250/f, где f — фокусное расстояние линзы, измеренное в миллиметрах. А фокусное расстояние линзы можно определить по формуле f = r/(n-1), где r — радиус кривизны поверхности линзы (для простоты будем считать, что линза имеет одинаковые радиусы кривизны для передней и задней половинок), n — показатель преломления материала, из которого изготовлена линза. Если, например, она сделана из обычного стекла, то n=1,5, и тогда фокусное расстояние линзы и радиус ее кривизны будут величинами одного порядка. Значит, чтобы получить увеличение в 100 раз, надо взять стеклянный шарик диаметром 5 мм. А чтобы изображение не искажалось, между наблюдаемым объектом и линзой придется поставить диафрагму диаметром приблизительно в 10 раз меньше диаметра шарика. Причем диафрагму нужно установить как можно ближе к линзе. Если же мы захотим построить двухлинзовую систему с таким же увеличением, то можно применить линзы более длиннофокусные…
— А как будет работать такая схема? — нетерпеливо перебил друга Саша.
— А вот как. Объект, увеличенный первой линзой (объективом), рассматривается с помощью другой линзы (окуляра) как через лупу. Суммарное увеличение такой системы есть произведение увеличения объектива на увеличение окуляра
— Вот здорово! Значит, если поставить еще и третью линзу, то суммарное увеличение опять увеличится! А если четвертую…
— Погоди, Сашок, у тебя ничего не получится уже с третьей линзой. И вот почему. Изображение, увеличенное второй линзой, находится на расстоянии наилучшего зрения от глаза (расстояние наилучшего зрения, как ты знаешь, 250 мм). А для того чтобы третья линза, которую ты собираешься использовать в качестве лупы, эффективно работала, рассматриваемый объект должен находиться возле ее фокуса. Значит, фокусное расстояние третьей линзы должно быть близко к 250 мм — но ведь тогда ее увеличение будет равно 250/250=1…
То есть третья линза не будет работать. Но это не должно нас расстраивать. Ведь увеличение микроскопа все равно не может быть беспредельным. И причина этого вовсе не в сложности изготовления линз. Мы с тобой совсем забыли о волновых свойствах света. Свет, освещающий наш объект, имеет вполне определенную длину волны. Чтобы сделать увеличение микроскопа еще большим, нужно переходить на более коротковолновое излучение. Ты, конечно, знаешь, что любая материальная частица обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Электрон — одновременно и частица и волна. Это и используется в электронном микроскопе, с которого начался наш разговор. Ведь длина волны электрона много меньше длин волн видимого света. А вместо стеклянных линз в таком микроскопе стоят электромагнитные линзы. Увеличение электронных микроскопов — сотни тысяч раз. Можно увидеть даже отдельные молекулы, а в некоторых случаях — и атомы!
— Андрей, давай сделаем электронный микроскоп! — загорелся Саша.
— Нет, это нам не под силу. А вот сделать простой световой микроскоп мы можем.
— Но ведь у нас нет короткофокусных линз…
Для этого нам надо сделать маленький шарик из материала, показатель преломления которого больше, чем у воздуха. Ну, например… из воды! Для этого достаточно взять тонкий лист металла и просверлить в нем небольшое отверстие. Края его надо натереть парафином. Теперь, если капнуть на отверстие воду, то образуется небольшой шарик — ведь вода не смачивает парафин. Это и есть нужная нам линза.
— А не будет ли такой микроскоп слишком нежным и капризным? Наверное, работать на нем будет не очень-то удобно.
— Зато в походных условиях лучше его ничего не придумаешь. Подумай: ведь это всего лишь металлическая пластинка с отверстием! Если же в пластинке просверлить отверстия разного диаметра, то можно строить микроскопы с разным увеличением. А если еще в качестве окуляра использовать обычную лупу, получится двухлинзовая система.
— А нельзя ли все-таки добиться, чтобы линза была более прочной?
— Что ж, если ты настаиваешь, давай сделаем ее из более прочного материала. Например, из стекла…
— Как это из стекла? — удивился Саша. — Оно ведь хрупкое! Как же мы будем его обрабатывать?
— Стекло нам отшлифует огонь. Если тонкую стеклянную палочку потихоньку опускать в пламя горелки, то на конце палочки будет образовываться шарик, потому что на поверхности любой жидкости, и жидкого стекла в том числе, действуют силы поверхностного натяжения. Вот тебе и готовая прочная линза!..
Такой интересный разговор произошел у двух юных исследователей. Может быть, и вы, ребята, захотите воспользоваться рекомендациями Андрея Гурьева и построить себе такой походный микроскоп?
С. ВАЛЯНСКИЙ, И. НАДОСЕКИНА