Новые увеличители

Свойство наполненных водой стеклянных сосудов увеличивать изображение заметили еще древние римляне, а в 13-м веке в Италии появился и первый бытовой оптический прибор, служащий для исправления дефектов зрения, - очки. В начале 17-го века появился первый прибор для рассматривания мелких предметов в увеличенной форме - микроскоп.

Как видишь, первую лупу и первый микроскоп разделяет почти полторы тысячи лет. Почему же так много? Казалось бы, чего проще: увеличил лупой какой-нибудь предмет, потом то, что получилось, точно так же увеличил второй лупой, потом подставил третью, и так далее, пока перед глазами не появится атом во всей красе... Увы, на деле всё гораздо сложнее.

Для начала - немного теории. У любой линзы (а лупа - это линза, у которой обе поверхности выпуклые) есть одна главная характеристика, которая называется "фокусным расстоянием". Представим, что параллельные лучи света проходят сквозь стеклянную линзу. Линза благодаря своей форме преломит эти параллельные лучи так, что они сойдутся в одной точке. Расстояние от этой точки до центра линзы и называется фокусным расстоянием.

Ты отлично поймешь, о чем идет речь, если хоть раз использовал лупу в качестве "поджигательного стекла": стоит расположить лупу на фокусном расстоянии от поверхности какой-нибудь деревяшки, как попавшие в линзу солнечные лучи сконцентрируются в одну точку, и дерево задымится... Выходит, не случайно "фокус" по-латыни значит - очаг, огонь! Добавим, что фокусное расстояние определяет степень увеличения линзы - чем это расстояние меньше, тем лупа "сильнее", то есть тем большее увеличение она может дать.

Теперь возьмем страницу книги и разместим над ней лупу. Глядя сквозь нее, ты увидишь увеличенные буквы текста. Приближая и удаляя лупу от страницы, ты будешь менять степень увеличения. Надо заметить, что наибольшее увеличение получается, когда расстояние между страницей и лупой почти равно фокусному расстоянию (увеличение также будет зависеть от расстояния до глаз наблюдателя).

Одновременно, правда, изображение будет искажаться по краям, и чем "сильнее" лупа, то есть чем меньше ее фокусное расстояние, тем меньше будет поле зрения, на котором еще что-то можно рассмотреть.

При очень маленьких фокусных расстояниях пользоваться лупой будет практически невозможно, поэтому увеличение, которое можно получить с помощью одиночной линзы, принципиально ограничено величиной приблизительно в 40 раз. На схемах ниже из всего множества лучей, исходящих от точки рассматриваемого объекта, показаны два: один идет через центр линзы, другой - перпендикулярно ей. Изображение за линзой образуется в точке пересечения этих лучей.

Ну хорошо, а если посмотреть на предмет сквозь две лупы, так, как говорилось в начале статьи? На рисунке показан ход световых лучей в лупе. Как видишь, эти лучи расходятся. Но благодаря свойствам глаза наблюдателю кажется, что пучок лучей возникает из точки, где пересекаются выходящие из линзы лучи. Наблюдатель этот предмет видит, т. к. расходящиеся лучи глаз воспринимает как идущие из одной точки, находящейся там, где лучи пересекаются.

Кажущегося увеличенного изображения на самом деле не существует, оно образовано в нашем мозгу. Такое изображение называют "мнимым". А коль скоро изображение "мнимое", то что же мы будем увеличивать второй лупой? Проведем еще один опыт. Возьми лупу и размести ее так, чтобы в нее попадали лучи света от достаточно удаленного яркого предмета, например, от люстры на потолке. Под лупой расположи лист бумаги, и держи лупу параллельно ему.

Если между лупой и бумагой расстояние достаточно мало, ты увидишь на листе яркое размытое пятно. Постепенно отодвигая лупу от листа, можно поймать момент, когда на бумаге возникнет резкое уменьшенное изображение люстры. Заметим, что это произойдет тогда, когда расстояние от листа до бумаги будет соответствовать фокусному, а само изображение окажется перевернутым.

Изобретатели микроскопа догадались объединить оба варианта получения изображения, описанных в наших опытах с журналом и люстрой. Лупа, расположенная вблизи рассматриваемого объекта, называется объективом, она дает увеличенное перевернутое изображение, которое наблюдатель рассматривает через другую лупу, называемую окуляром.

Размещая друг относительно друга линзы различным образом, можно получить и другой вариант оптической системы из двух линз, известный под названием подзорная труба - в отличие от микроскопа он служит для увеличения удаленных предметов. Соединив вместе две подзорные трубы и установив для них механизм общей регулировки резкости, получим всем известный бинокль.

Окуляр работает как лупа, дополнительно увеличивая изображение, полученное объективом. Рассматриваемый предмет размещается на расстоянии немного большем, чем фокусное расстояние объектива. С другой стороны от линзы и возникает увеличенное изображение этого предмета. Максимальное увеличение, которое может дать микроскоп, - примерно в 1000 раз.

Это значит, что предмет длиной в сотую часть миллиметра (10 микрометров, т. е. миллионных частей метра), мы увидим таким, как будто бы он имел размеры в сантиметр. Почему же и теперь нельзя увидеть более мелкие предметы, такие как отдельные атомы? А вот почему: рисуя схему микроскопа, мы исходили из того, что свет представляет собой прямолинейно распространяющиеся лучи. Это верно лишь для относительно крупных предметов.

Для предметов длиной меньше, чем несколько микрометров, приходится учитывать, что свет на самом деле представляет собой волны, а не лучи, и в таких масштабах распространение его совсем не прямолинейное. Длина волны видимого света составляет приблизительно половину микрометра, и более мелкие предметы рассмотреть в микро скоп в принципе невозможно - а это в тысячи раз больше размеров единичных атомов и молекул (размер атома составляет в среднем примерно одну десятитысячную часть микрометра).

Мало того, еще задолго до достижения этого предела(при увеличениях в несколько сотен раз и более) начинает сказываться то, что свет различных оттенков преломляется в стекле линз по-разному - на изображении появляется цветной ореол, и края его размываются. Поэтому размеры рассматриваемых в микроскоп предметов и ограничены величиной в несколько микрометров. Однако ученые придумали выход.

Он состоит в том, чтобы использовать для получения изображения не световые лучи, а излучение с гораздо меньшей длиной волны. Особенно удобно оказалось приспособить для этой цели электроны - отрицательно заряженные элементарные частицы, которые легко фокусировать с помощью электрического и магнитного полей, работающих точно так же, как линзы для обычного света.

Такая конструкция получила название электронного микроскопа. Длина волны электронного излучения в тысячи раз меньше, чем у видимого света, потому через электронный микроскоп можно "увидеть" (на самом деле - сфотографировать) отдельные молекулы, а при определенных условиях - даже атомы.

Главная   |  Научные исследования  |  Новые увеличители