Mikroskop

Mikroskop, czyli "silny" instrument optyczny do oglądania w powiększeniu małych przedmiotów, został wynaleziony w 1673r. Inni mówią, że mikroskop optyczny wynalazł Holender van Jansen w 1590r. Udoskonalił ten przyrząd Leeuwenhoek, urzędnik z Delft, który biologią zajmował się tylko amatorsko. Szlifował on niezwykle precyzyjnie szklane soczewki w taki sposób, że jego mikroskop powiększał aż 300 razy. Przy takim powiększeniu można już było obserwować mikroorganizmy. W 1683r. Leeuwenhoek opublikował pierwsze rysunki bakterii i pierwotniaków. Te ostatnie nazwał "wymoczkami", gdyż pochodziły z hodowli uzyskanej z siana zalanego wodą. Pierwsze komórki pod mikroskopem zaobserwował w 1655r. angielski uczony Robert Hooke.

Pierwsze mikroskopy miały tylko jedną soczewkę i nazywane były mikroskopami prostymi. W mikroskopie światło - po przejściu przez pryzmat załamywane jest przez soczewkę obiektywu i trafia do oka obserwatora. Soczewka sprawia, że przedmiot wydaje się większy niż w rzeczywistości. Mikroskop tzw. złożony ma nie jedną, lecz dwie soczewki. Obiektyw wytwarza powiększony obraz przedmiotu, a okular powiększa ten obraz jeszcze bardziej. Prostym przyrządem optycznym jest też lupa, tj. okrągła soczewka z uchwytem.

Mikroskop optyczny, przyrząd optyczny służący do uzyskiwania silnie powiększonych obrazów małych przedmiotów. Zasadniczo zbudowany jest z tubusu zawierającego na swoich końcach okular i obiektyw (oba działające jak soczewki skupiające). Ponadto mikroskop optyczny posiada układ oświetlenia preparatu (kondensor) i stolik preparatowy (czasami wyposażony w mikromanipulator).
Obiektyw mikroskopu optycznego daje rzeczywisty, odwrócony i powiększony obraz przedmiotu, okular pełni rolę lupy, przez którą ogląda się obraz dawany przez obiektyw. Obraz oglądany w okularze jest obrazem pozornym i silnie powiększonym, powiększenie kątowe mikroskopu optycznego wyraża się wzorem: w=(xD)/(fF), gdzie x - długość rury tubusa, D - odległość dobrego widzenia (250 mm), f i F odpowiednio: ogniskowa obiektywu i okularu. Przy znanych oddzielnie powiększeniach okularu i obiektywu powiększenie mikroskopu optycznego jest iloczynem tych powiększeń. W praktyce stosuje się powiększenia od kilkudziesięcio- do ponad tysiąckrotnych.

Najlepsze mikroskopy optyczne pozwalają dostrzegać szczegóły przedmiotu o rozmiarach kilkuset nm. Dalszy wzrost zdolności rozdzielczej jest ograniczony długością fali światła, pewne poprawienie zdolności rozdzielczej można uzyskać konstruując mikroskop optyczny do obserwacji w nadfiolecie (tzw. mikroskopy ultrafioletowe). Jasność obrazu mikroskopu optycznego jest proporcjonalna do rozwartości kąta wiązki wchodzącej do obiektywu (tzw. apertura wejściowa mikroskopu optycznego, imersyjny obiektyw mikroskopu).

W konstrukcji obiektywu pożądane jest też uzyskanie jak najmniejszej ogniskowej, oba te czynniki powodują, że bieg promieni daleki jest od biegu promieni przyosiowych, stąd poważnym problemem przy wykonywaniu obiektywów mikroskopowych jest usunięcie powstających wad optycznych (aberracje układów optycznych). W tym celu jako obiektywy stosuje się skomplikowane, wielosoczewkowe układy optyczne (najprostszy z nich, tzw. obiektyw aplanatyczny Amiciego, posiada 6 soczewek). Jako okular stosuje się układ Huygensa (rzadziej Ramsdena).

Często używane są mikroskopy stereoskopowe, będące układem dwóch prawie równoległych mikroskopów optycznych, lub mikroskopy wyposażone w tzw. binokular (dwuoczny okular). Możliwe jest też stosowanie różnych specjalistycznych nakładek okularowych umożliwiających fotografowanie lub odrysowywanie obserwowanych przedmiotów.

Ze względu na warunki oświetlenia preparatu wyróżnia się kilka metod obserwacji mikroskopowych:
a) metoda obserwacji jasnego pola w świetle przechodzącym (preparaty częściowo pochłaniające światło, np. przezroczyste, ale zabarwione),
b) metoda obserwacji ciemnego pola w świetle przechodzącym (preparaty przezroczyste niebarwione, wykorzystane jest tylko światło rozproszone),
c) metoda obserwacji ciemnego pola w świetle odbitym (preparaty nieprzezroczyste, wykorzystuje się światło rozproszone),
d) metoda kontrastu fazowego (do obserwacji przedmiotów przezroczystych i bezbarwnych, zastosowanie specjalnego układu optycznego ujawnia różnice w drogach optycznych różnych promieni, F. Zernike),
e) metoda interferencyjna (obserwacja interferencji światła przechodzącego przez przezroczysty preparat).

Optyka cząsteczkowa, dział fizyki stosowanej obejmujący ogół reguł i technologii stosowanych do prowadzenia i ogniskowania wiązek cząstek elementarnych, jonów i molekuł. W zależności od rodzaju cząstek będących przedmiotem zainteresowania wyróżnia się optykę: elektronową, jonową, neutronową itp.Optyka cząsteczkowa pozwala m.in. konstruować: akceleratory, mikroskopy nieoptyczne, kineskopy.

Mikroskopy nieoptyczne, przyrządy pozwalające uzyskiwać powiększone obrazy małych przedmiotów, niewykorzystujące w tym celu fal świetlnych. Zgodnie z teorią mikroskopu (E. Abbe) obraz w mikroskopie (mikroskop optyczny) powstaje na skutek nałożenia się zjawisk dyfrakcyjnych, stąd istnieje fizyczne ograniczenie zdolności rozdzielczej każdego mikroskopu, pozwalające dostrzec szczegóły powierzchni nie mniejsze od położenia użytej do obserwacji długości fali.

Mikroskopy elektronowe Wraz z odkryciem falowej natury cząstek (fale Broglie, dualistyczna natura promieniowania) pojawiły się możliwości skonstruowania przyrządów pozwalających znacznie zwiększyć zdolność rozdzielczą. Pierwszą taką konstrukcją był mikroskop elektronowy prześwietleniowy. Jest to przyrząd, w którym preparat oświetlony jest skolimowanym strumieniem przyspieszonych elektronów. Zjawiska dyfrakcyjne powstające przy oddziaływaniu elektronów z przedmiotem (wykorzystuje się falowe własności wiązki elektronów) przetwarzane są na obraz. Wiązka elektronów ogniskowana jest za pomocą soczewek magnetycznych (odpowiednie elektromagnesy lub magnesy trwałe). Mikroskop elektronowy pozwala uzyskać powiększenia 250 000 razy. Powiększenie sięgające 5 mln razy można uzyskać w podobnych konstrukcjach, przy zastąpieniu elektronów wiązką jonów (mikroskop jonowy), w szczególności jonów wodoru, czyli protonów (mikroskop protonowy). Istnieją mikroskopy rentgenowskie, w których próbka oświetlana jest zogniskowaną wiązką niskoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego.
Mikroskopy elektronowe znalazły zastosowanie w różnych dziedzinach nauki i techniki. Zbudowano wiele ich typów, m.in. takie, które pozwalają wizualizować rozkłady pól elektrycznego i magnetycznego na powierzchni ciał stałych w obszarach o wymiarach kilku mikrometrów; zbudowano także mikroskopy jonowe, w których zamiast wiązki elektronów stosuje się wiązkę jonów. Opracowano też wiele specjalnych technik obserwacji za pomocą mikroskopów elektronowych. Współczesna mikroskopia elektronowa pozwala badać budowę wewnętrzną elementów składowych komórki biologicznej i bakterii , pozwala otrzymywać obrazy bakteriofagów i wirusów, dużych molekuł, a nawet ułożenia atomów w sieci krystalicznej.

Mikroskopy skaningowe Innym rodzajem mikroskopu nieoptycznego są mikroskopy skaningowe (rastrowe). W konstrukcjach tych nad próbką przesuwa się sonda skanująca, zależnie od konstrukcji może ona wysyłać wiązkę elektronów (skaningowy mikroskop elektronowy emisyjny), rejestrować prąd płynący pomiędzy sondą a próbką na skutek efektu tunelowego (skaningowy mikroskop tunelowy) lub rejestrować zmiany pola elektrycznego (skaningowy mikroskop polowy). Uzyskane informacje przetwarzane są na obraz. Te konstrukcje mikroskopów pozwalają dostrzec przedmioty rozmiarów pojedynczych atomów. Rozwój technik mikroskopii elektronowej i polowej uhonorowano przyznaniem w 1986 Nagród Nobla (E. Ruska, H. Rohrer, G. Binnig). Pewnego rodzaju mikroskopem nieoptycznym jest każdy akcelerator służący do badań (w zależności od energii przyspieszanych cząstek) struktury jądra (jądro atomowe) lub cząstek elementarnych.