Optine mikroskopija
Referatas
Optinė mikroskopija.
elektroninė mikroskopija.
atominių jėgų ir skenuojantis tunelinis mikroskopas
Turinys
Optinė
mikroskopija………………….
……… 2
Elektroninė
mikroskopija………………….
……. 6
Atominių jėgų ir skenuojantis tunelinis
mikroskopas…………………..
………… 8
Naudota
literatūra………………….
………. 10
Optinė mikroskopija
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 pat įdiegė nemažai naujovių tobulinant mikroskopus.
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).
[pic]
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, čia 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
[pic] (1)
čia D yra aiškiausio regėjimo nuotolis, f – lęšio židinio nuotolis. Bet
paprastai f < D, todėl D/f yra žymiai didesnis už vienetą, taigi
apytiksliai
[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 iš
dviejų optinių sistemų – objektyvo ir okuliaro (2 pav.). Praėję pro
objektyvą 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 atvaizdo
A‘ atvaizdą A2.
Apskritai, dviejų optinių sistemų (objektyvo iir okuliaro) didinimą taip
galime išreikšti. Pažymėkime paties objekto A1 ir jo atvaizdų A‘ bei A2
dydį atitinkamai y1, y‘, y2; jų nuotolius nuo lęšių α1, α2‘, α1‘, α2. Tada
visos 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, įtvirtinti
tubuse, kurį palaiko stovas (3 pav.).
[pic]
3 pav. Sudėtingasis mokroskopas
Apatinėje stovo dalyje įtaisytas objekto staliukas S ir kondensorius K
šviesos srautui surinkti ir nukreipti į objektą. Mikroskopo didinimą
surandame iš formulės, gautos visos sistemos didinimui, laikydami, kad
α2‘>>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
[pic] (7)
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 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 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 objektams 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.
[pic]
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.
Elektronininė mikroskopija
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 elektronus pagreitinančio
potencialo φ, nes
[pic] (9)
Didindami φ, galime sutrumpinti λ. TTaigi 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.
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. 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 fotografuoti. Iš difrakcijos vaizdų
sprendžiame apie difrakcijos centrų išsidėstymą, atseit, apie objektų
struktūrą. Šiuolaikiniai elektroniniai mikroskopai, paprastai, aprūpinami
ir papildomais įtaisais elektronų difrakcijos vaizdams gauti.
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 aadatos 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 aadatos 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 kkilnoti atskirus atomus.
Naudota literatūra
1. Brazdžiūnas P., Bendroji fizika III.
2. Enciklopedija “Mokslas ir visata”.
3. http://www.mokslo.centras.lt
