Я не биолог, конечно, но иногда приходится смотреть вот такое

Насколько мелкие объекты можно увидеть в микроскоп?

Сегодня поговорим о пределах разрешения различных видов микроскопов. В прошлой публикации я выкладывал красивые фото насекомых, полученные с электронного микроскопа. Нам нужно понять, какие бывают микроскопы и чем они отличаются.

Для начала немного теории.

Термин «разрешение» по сути означает наименьшее расстояние между двумя точками, такое что они четко видны именно как две разные точки и не сливаются. Предел разрешения нашего глаза, например, около 100 мкм (одна десятая миллиметра), и все, что меньше, приходится наблюдать через увеличительные оптические системы.

Пропускаем лупу, и тут вступает в игру оптический световой микроскоп, который для формирования изображения использует видимый свет. Самыми примитивными микроскопами многие из вас пользовались в школе на уроках биологии, когда надо было зеркальцем ловить свет из окна и направлять его на инфузорию туфельку, чтобы через объектив и окуляр увидеть ее увеличенное изображение. Приведу схему работы светового микроскопа на рисунке. Сейчас они современнее, ловить свет из окна не надо, там стоит свой осветитель, который направляет свет на рассматриваемый объект, а затем через объектив, линзы и окуляры - нам в глаза, а, часто, через камеру на компьютер, чтобы можно было сделать фото.
Далее⬇️⬇️⬇️

Большинство несложных научных задач, особенно в области биологии и медицины оптический микроскоп покрывает, но в какой момент данного метода микроскопии перестает хватать?

Некоторые из школы знают, что в обычный оптический микроскоп нельзя увидеть атомы. Почему? Главным ограничителем на размер рассматриваемых объектов здесь выступает длина волны излучения, с помощью которого формируется изображение. В данном случае минимальное разрешение или размер объекта будет
примерно равен длине волны видимого света. Из школьной программы мы знаем, что, когда свет встречает на своем пути препятствие, соизмеримое с его длиной волны, начинает происходить дифракция и интерференция, и картинки здесь мы уже не получим (но, кстати, можем получить другую информацию об объекте, но это уже отдельная тема). Длина волны видимого света находится в пределах 300-700 нм, т.е. в среднем 0,5 мкм. Это и есть минимальный размер объектов, которые можно разглядеть в такого рода микроскоп.

Что же делать, когда хочется поглядеть на совсем маленькие объекты или на атомы?

Нужно уменьшать длину волны используемого излучения. И тут
ученые не нашли ничего лучше, как использовать электроны.
Продолжение ⬇️⬇️⬇️

Как же так, спросите вы, электроны же частицы, откуда у них длина волны?

Оказывается, квантовая физика говорит нам о том, что длина волны
есть у любой частицы и, теоретически, даже у любого предмета. Это длина волны де Бройля, о которой мы поговорим чуть позже.

Длина волны де Бройля любой частицы непостоянна и зависит от ее скорости. Чем больше мы сможем ускорить частицу, тем меньше будет ее длина волны, и тем меньше объекты мы сможем рассмотреть.

В электронном микроскопе в качестве излучения, формирующего изображения, выступают движущиеся с большой скоростью электроны. Электроны – это заряженные частицы, поэтому ускорить их до какой угодно скорости не составляет большого труда, нужно просто приложить напряжение на их пути. Чем больше будет напряжение, тем больше будет скорость электронов и меньше их длина волны.

Далее⬇️⬇️⬇️

Для начала разберем принцип работы просвечивающего электронного микроскопа, как самого первого придуманного микроскопа для наблюдения предметов за пределами световой оптики.

Схему работы также приведу на рисунке. Источником электронов является такая же лампочка, как в световом микроскопе. Только
лампочка накаливания испускает свет при нагреве вольфрамовой нити, а в электронном микроскопе та же вольфрамовая нить при нагреве испускает электроны и является катодом. Вылетевшие электроны из катода попадают в длинную колонну с электрическим полем, которое их ускоряет до нужной энергии, и они попадают на
образец. Образец используется настолько тонкий (толщина около 100 нм), что электроны проходят сквозь него и попадают на специальный чувствительный к электронам экранчик, на котором, по сути, появляется увеличенная проекция образца (как в видеопроекторе). По пути движения в колонне пучку электронов
необходимо придать определенную форму (сфокусировать), чтобы он попал в нужную точку объекта, а также, пройдя через объект, сформировал увеличенное изображение. Для этого используются, так называемые, электромагнитные линзы (конденсоры). Это катушки, создающие магнитное поле, которое искажает траекторию электронов (из-за возникновения силы Лоренца), в нужную сторону и формирует узкий пучок. При большом ускоряющем напряжении, а, значит, маленькой длине волны, мы можем увидеть атомные ряды в твердом теле, и это уже не фантастика, а обыденность для ученых.

Стоит отметить, что все это происходит в высоком вакууме, т.к. электроны очень маленькие и, встречаясь с крупными молекулами воздуха, сразу же тормозятся. Чем меньше воздуха будет в колонне, тем больше электронов будут долетать до места назначения, и тем лучше будет получаться картинка.

Продолжение ⬇️⬇️⬇️

А вы знали, как работает электронный микроскоп? Для понятия его принципа работы достаточно лишь знаний школьной физики (углубленных).

Изображения мух сделаны не на описанный тип электронного микроскопа. Про этот тип расскажу чуть позже.

Кстати, многие ошибочно думают, что слово «электронный», применительно к микроскопу, означает тот, который вставляется в розетку. Но так думают люди, не знакомые с частицей под названием электрон и путающие слова «электронный» и «электрический». Порекомендуйте этим людям, если вдруг их встретите, подписаться на мой блог)

Сижу смотрю неметаллические включения в стали и вижу сердечко из нитридов титана. Вообще иногда удивительной формы встречаются включения, которые вот так случайным образом в жидком металле образуются и фиксируются при кристаллизации. Природа интересные вещи рисует. Это как сидеть и играть в игру, на что похоже облако. Интересные фигуры всегда фоткаю. Скоро будет целый альбом