Aký je pozorovací rozsah svetelného mikroskopu a elektrónového mikroskopu
Štruktúra optického mikroskopu Optický mikroskop sa vo všeobecnosti skladá zo stolíka, kondenzorového osvetľovacieho systému, šošovky objektívu, okuláru a zaostrovacieho mechanizmu. Pódium sa používa na držanie objektu, ktorý sa má pozorovať. Zaostrovací mechanizmus môže byť ovládaný zaostrovacím gombíkom, aby sa stolík pohyboval nahor a nadol pre hrubé nastavenie a jemné nastavenie, takže pozorovaný objekt môže byť zaostrený a jasne zobrazený.
Jeho horná vrstva sa dá presne posúvať a otáčať v horizontálnej rovine a pozorovaná časť je celkovo prispôsobená stredu zorného poľa. Osvetľovací systém bodového svetla sa skladá zo svetelného zdroja a kondenzorovej šošovky. Funkciou kondenzorovej šošovky je sústrediť viac svetelnej energie do pozorovanej časti. Spektrálne charakteristiky iluminátora musia byť prispôsobené pracovnému pásmu prijímača mikroskopu.
Objektív sa nachádza v blízkosti pozorovaného objektu a je to šošovka, ktorá realizuje zväčšenie prvej úrovne. Na konvertor šošoviek objektívu je súčasne inštalovaných niekoľko šošoviek objektívu s rôznym zväčšením a šošovka objektívu s rôznym zväčšením môže vstúpiť do pracovnej optickej dráhy otáčaním konvertora. Zväčšenie šošovky objektívu je zvyčajne 5 až 100-násobné. Objektív je optický prvok, ktorý zohráva rozhodujúcu úlohu v kvalite obrazu v mikroskope.
Bežne používané achromatické objektívy, ktoré dokážu korigovať chromatickú aberáciu pre dve farby svetla; apochromatické objektívy vyššej kvality, ktoré dokážu opraviť chromatickú aberáciu pre tri farby svetla; môže zabezpečiť, že celá obrazová rovina šošovky objektívu je rovinná, aby sa zlepšilo zorné pole Objektívy s plochým poľom s okrajovou kvalitou zobrazenia. Objektívy s kvapalinovou imerziou sa často používajú vo vysokovýkonných šošovkách objektívu, to znamená, že index lomu 1 je vyplnený medzi spodným povrchom šošovky objektívu a horným povrchom listu vzorky.
5 alebo tak, môže výrazne zlepšiť rozlíšenie mikroskopického pozorovania. Okulár je šošovka umiestnená v blízkosti ľudského oka na dosiahnutie zväčšenia druhej úrovne a zväčšenie zrkadla je zvyčajne 5 až 20-násobné. Podľa veľkosti zorného poľa, ktoré je možné vidieť, možno okuláre rozdeliť na obyčajné okuláre s menším zorným poľom a veľkopoľné okuláre (alebo širokouhlé okuláre) s väčším zorným poľom.
Stolík aj šošovka objektívu musia byť schopné pohybovať sa vzhľadom na optickú os šošovky objektívu, aby sa dosiahlo nastavenie zaostrenia a získal sa jasný obraz. Pri práci s objektívom s veľkým zväčšením je povolený rozsah zaostrenia často menší ako mikrón, takže mikroskop musí mať mimoriadne presný mechanizmus mikrozaostrovania. Hranica zväčšenia mikroskopu je efektívne zväčšenie a rozlíšenie mikroskopu sa vzťahuje na minimálnu vzdialenosť medzi dvoma bodmi objektu, ktoré možno mikroskopom jasne rozlíšiť.
Rozlíšenie a zväčšenie sú dva odlišné, ale súvisiace pojmy. Keď numerická apertúra zvolenej šošovky objektívu nie je dostatočne veľká, to znamená, že rozlíšenie nie je dostatočne vysoké, mikroskop nedokáže rozlíšiť jemnú štruktúru objektu. V tomto okamihu, aj keď je zväčšenie nadmerne zvýšené, je možné získať iba obrázok s veľkým obrysom, ale nejasnými detailmi. , nazývané neúčinné zväčšenie.
Na druhej strane, ak rozlíšenie splnilo požiadavky a zväčšenie je nedostatočné, mikroskop má schopnosť rozlíšiť, ale obraz je príliš malý na to, aby ho ľudské oko jasne videlo. Preto, aby sa naplno prejavila rozlišovacia schopnosť mikroskopu, numerická apertúra by mala byť primerane prispôsobená celkovému zväčšeniu mikroskopu. Kondenzovaný osvetľovací systém má veľký vplyv na zobrazovací výkon mikroskopu, ale je to aj odkaz, ktorý používatelia ľahko prehliadnu.
Jeho funkciou je zabezpečiť dostatočné a rovnomerné osvetlenie povrchu objektu. Lúč z kondenzora by mal byť schopný vyplniť otvorový uhol šošovky objektívu, inak sa nedá plne využiť najvyššie rozlíšenie, aké môže šošovka objektívu dosiahnuť. Na tento účel je kondenzor vybavený clonou s premenlivou apertúrou podobnou tej vo fotografickom objektíve a veľkosť apertúry možno nastaviť tak, aby sa apertúra osvetľovacieho lúča zhodovala s uhlom clony objektívu.
Zmenou metódy osvetlenia môžete získať rôzne metódy pozorovania, ako sú body tmavých objektov na svetlom pozadí (nazývané osvetlenie svetlého poľa) alebo body jasných objektov na tmavom pozadí (nazývané osvetlenie tmavého poľa), aby ste ich mohli lepšie objaviť v rôznych situáciách. a pozorovať mikroštruktúru. Elektrónový mikroskop je prístroj, ktorý na princípe elektrónovej optiky nahrádza svetelný lúč a optickú šošovku elektrónovým lúčom a elektrónovou šošovkou, takže jemnú štruktúru hmoty je možné zobraziť pri veľmi veľkom zväčšení.
Rozlišovacia schopnosť elektrónového mikroskopu je vyjadrená najmenšou vzdialenosťou medzi dvoma susednými bodmi, ktorú dokáže rozlíšiť. V 1970 rokoch bola rozlišovacia schopnosť transmisných elektrónových mikroskopov asi 0,3 nanometrov (rozlišovacia schopnosť ľudského oka bola asi 0,1 mm). Teraz je maximálne zväčšenie elektrónového mikroskopu viac ako 3 milióny krát a maximálne zväčšenie optického mikroskopu je asi 2000 krát, takže atómy určitých ťažkých kovov a úhľadne usporiadanú atómovú mriežku v kryštáloch možno priamo pozorovať cez elektrónový mikroskop.
V roku 1931 Knorr-Bremse a Ruska v Nemecku upravili vysokonapäťový osciloskop s výbojovým zdrojom elektrónov so studenou katódou a tromi elektrónovými šošovkami a získali viac ako desaťkrát zväčšený obraz, ktorý potvrdil možnosť zväčšovania zobrazenia elektrónovým mikroskopom. . . V roku 1932, po Ruskovom vylepšení, dosahovala rozlišovacia schopnosť elektrónového mikroskopu 50 nanometrov, čo bol asi desaťnásobok rozlišovacej schopnosti vtedajšieho optického mikroskopu, takže elektrónový mikroskop začal pútať pozornosť ľudí.
V 1940 rokoch použil Hill v Spojených štátoch amerických astigmatikov na kompenzáciu rotačnej asymetrie elektrónových šošoviek, čo znamenalo nový prelom v rozlišovacej schopnosti elektrónového mikroskopu a postupne sa dostalo na modernú úroveň. V Číne bol v roku 1958 úspešne vyvinutý transmisný elektrónový mikroskop s rozlíšením 3 nanometre a v roku 1979 bol vyrobený s rozlíšením 0.
3 nm veľký elektrónový mikroskop. Hoci rozlišovacia schopnosť elektrónových mikroskopov je oveľa lepšia ako u optických mikroskopov, je ťažké pozorovať živé organizmy, pretože elektrónové mikroskopy musia pracovať vo vákuu a ožarovanie elektrónových lúčov tiež spôsobí radiačné poškodenie biologických vzoriek. Ďalšie otázky, ako je zlepšenie jasu elektrónového dela a kvalita elektrónovej šošovky, je tiež potrebné ďalej študovať.
Rozlišovacia schopnosť je dôležitým indikátorom elektrónovej mikroskopie, ktorý súvisí s uhlom dopadajúceho kužeľa a vlnovou dĺžkou elektrónového lúča prechádzajúceho vzorkou. Vlnová dĺžka viditeľného svetla je približne 300 až 700 nanometrov, pričom vlnová dĺžka elektrónového lúča súvisí s urýchľujúcim napätím. Keď je urýchľovacie napätie 50-100 kV, vlnová dĺžka elektrónového lúča je približne 0.
0053 až 0,0037 nm. Keďže vlnová dĺžka elektrónového lúča je oveľa menšia ako vlnová dĺžka viditeľného svetla, aj keď je uhol kužeľa elektrónového lúča iba 1 percento uhla optického mikroskopu, rozlišovacia schopnosť elektrónového mikroskopu je stále oveľa lepšia ako optického mikroskopu. Elektrónový mikroskop sa skladá z troch častí: tubusu šošovky, vákuového systému a napájacej skrine.
Tubus objektívu obsahuje hlavne elektrónovú pištoľ, elektrónovú šošovku, držiak vzorky, fluorescenčnú clonu a mechanizmus fotoaparátu, ktoré sú zvyčajne zostavené do valca zhora nadol; vákuový systém sa skladá z mechanickej vákuovej pumpy, difúznej pumpy a vákuového ventilu atď. Plynové potrubie je spojené s tubusom šošovky; napájacia skriňa sa skladá z vysokonapäťového generátora, stabilizátora budiaceho prúdu a rôznych nastavovacích a riadiacich jednotiek.
Elektrónová šošovka je najdôležitejšou súčasťou tubusu elektrónového mikroskopu. Využíva priestorové elektrické pole alebo magnetické pole, ktoré je symetrické k osi tubusu šošovky, aby ohýbalo trajektóriu elektrónov k osi, aby sa vytvorilo zaostrenie. Jeho funkcia je podobná funkcii sklenenej konvexnej šošovky na zaostrenie lúča, preto sa nazýva elektrón. šošovka. Väčšina moderných elektrónových mikroskopov používa elektromagnetické šošovky, ktoré sústreďujú elektróny silným magnetickým poľom generovaným veľmi stabilným jednosmerným budiacim prúdom cez cievku s pólovou pätkou.
Elektrónové delo je komponent pozostávajúci z horúcej katódy s volfrámovým vláknom, mriežky a katódy. Môže emitovať a vytvárať elektrónový lúč s rovnomernou rýchlosťou, takže stabilita urýchľovacieho napätia nie je menšia ako 1/10,000. Elektrónové mikroskopy možno podľa štruktúry a použitia rozdeliť na transmisné elektrónové mikroskopy, skenovacie elektrónové mikroskopy, reflexné elektrónové mikroskopy a emisné elektrónové mikroskopy.
Transmisné elektrónové mikroskopy sa často používajú na pozorovanie tých štruktúr jemných materiálov, ktoré nemožno rozlíšiť bežnými mikroskopmi; rastrovacie elektrónové mikroskopy sa používajú hlavne na pozorovanie morfológie pevných povrchov a môžu sa tiež kombinovať s röntgenovými difraktometrami alebo elektrónovými energetickými spektrometrami na vytváranie elektrónov. Mikrosondy na analýzu zloženia materiálu; Emisná elektrónová mikroskopia na štúdium povrchov samovyžarujúcich elektrónov.
Projekčný elektrónový mikroskop je pomenovaný podľa toho, že elektrónový lúč preniká vzorkou a potom používa elektrónovú šošovku na zobrazenie a zväčšenie. Jeho optická dráha je podobná dráhe optického mikroskopu. V tomto elektrónovom mikroskope je kontrast detailov obrazu vytvorený rozptylom elektrónového lúča atómami vzorky. V tenších alebo menej hustých častiach vzorky sa elektrónový lúč rozptyľuje menej, takže cez otvor objektívu prejde viac elektrónov, zúčastňujú sa na zobrazovaní a na obrázku sa javia svetlejšie.
Naopak, hrubšie alebo hustejšie časti vzorky sa javia na obrázku tmavšie. Ak je vzorka príliš hrubá alebo príliš hustá, absorbovaním energie elektrónového lúča sa kontrast obrazu zhorší alebo dokonca poškodí alebo zničí. Vrchná časť trubice transmisného elektrónového mikroskopu je elektrónové delo. Elektróny sú emitované horúcou katódou s volfrámovým vláknom a prechádzajú cez prvý a druhý kondenzátor, aby zaostrili elektrónový lúč.
Po prechode cez vzorku sa elektrónový lúč zobrazí na strednom zrkadle šošovkou objektívu a potom sa krok za krokom zväčší cez stredné zrkadlo a projekčné zrkadlo a potom sa zobrazí na fluorescenčnej obrazovke alebo fotografickej suchej platni. Stredné zrkadlo upravuje hlavne budiaci prúd a zväčšenie sa dá plynule meniť od desaťnásobku až po stovky tisíckrát; zmenou ohniskovej vzdialenosti stredného zrkadla možno získať obrazy elektrónového mikroskopu a obrazy elektrónovej difrakcie na malých častiach tej istej vzorky. .
Na štúdium hrubších vzoriek kovových plátkov vyvinulo francúzske laboratórium Dulos Electron Optics Laboratory ultravysokonapäťový elektrónový mikroskop s urýchľovacím napätím 3500 kV. Elektrónový lúč rastrovacieho elektrónového mikroskopu neprechádza vzorkou, ale iba sníma a excituje sekundárne elektróny na povrchu vzorky. Scintilačný kryštál umiestnený vedľa vzorky prijíma tieto sekundárne elektróny a moduluje intenzitu elektrónového lúča obrazovky po zosilnení, čím mení jas na obrazovke obrazovky.
Vychyľovací strmeň obrazovky udržiava synchrónne skenovanie s elektrónovým lúčom na povrchu vzorky, takže fluorescenčná obrazovka obrazovky zobrazuje topografický obraz povrchu vzorky, ktorý je podobný princípu fungovania priemyselnej televízie. Rozlíšenie rastrovacieho elektrónového mikroskopu je určené hlavne priemerom elektrónového lúča na povrchu vzorky.
Zväčšenie je pomer amplitúdy skenovania na obrazovke k amplitúde skenovania na vzorke, ktorá sa môže plynule meniť od desaťnásobku po státisíckrát. Rastrovací elektrónový mikroskop nevyžaduje veľmi tenké vzorky; obraz má silný trojrozmerný efekt; dokáže analyzovať zloženie hmoty pomocou informácií, ako sú sekundárne elektróny, absorbované elektróny a röntgenové lúče generované interakciou elektrónových lúčov s hmotou.
Elektrónové delo a kondenzor rastrovacieho elektrónového mikroskopu sú približne rovnaké ako u transmisného elektrónového mikroskopu, ale aby bol elektrónový lúč tenší, sú pod kondenzorovú šošovku pridané šošovky objektívu a astigmatizmus a dve sady vzájomne vo vnútri šošovky objektívu je nainštalované aj kolmé skenovanie. cievka. V komore na vzorku pod šošovkou objektívu je umiestnený stojan na vzorky, ktorý možno posúvať, otáčať a nakláňať.
