从一滴水的显微镜。绘图、说明

显微镜下的一滴水。儿童科学实验室

儿童科学实验室

七年级学生 Sasha Putyatin 住在莫斯科附近的科学家之城杜布纳，她对物理学非常感兴趣。有一天，他在翻阅一本科普书时，看到了一幅有趣的图画。它描绘了一些球，底部有一个标题：“使用电子显微镜获得的分子照片。” 脑子里翻着物理课本，男孩很快就想象出了另一幅熟悉的画面：一根电线，里面有一个带减号的移动点——电子。您是如何利用这些粒子拍摄照片的？萨沙跑向楼梯间的邻居安德烈·古里耶夫（Andrei Guryev）寻求澄清。安德烈正在读十年级，正准备进入大学物理系。很难找到比萨沙更好的顾问了……

-您对电子显微镜感兴趣吗？ - 安德烈问道。 - 你知道普通的如何工作吗？

- 为什么这么复杂？ - 萨沙惊呼道。 - 你拿几个镜头，将它们插入管子 - 这里你有一个显微镜！

安德鲁笑了。

——确实，多么简单！既是显微镜又是望远镜！但抛开笑话不谈。您认为可以用一个镜头制作一台显微镜吗？

- 嗯，我知道。当有一个镜头时，这种装置称为放大镜。

- 正确的。但您是否知道，荷兰生物学家安东尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）是第一个观察池塘微生物的人，他使用了放大镜，而这种设备现在被称为列文虎克显微镜？而且，它具有与普通现代显微镜相同的放大倍数。

- 如果只有一个就足够了，不清楚为什么他们要制造多镜头显微镜？

- 这是一个非常有趣的问题。让我们弄清楚...

如果精细结构的两个元素之间的距离大于 0,08 毫米，人眼就可以区分该结构。但生活提出了一些问题，需要考虑具有更精细结构的物体。这就是光学仪器发挥作用的地方。单镜头可实现的放大倍率定义为 250/f，其中 f 是以毫米为单位测量的镜头焦距。而透镜的焦距可以通过公式 f = r/(n-1) 确定，其中 r 是透镜表面的曲率半径（为简单起见，我们假设透镜具有相同的曲率半径）对于前半部和后半部），n 是制造透镜的材料的折射率。例如，如果它是由普通玻璃制成，则n = 1,5，那么透镜的焦距和其曲率半径将处于同一数量级。这意味着要获得100倍的放大倍数，需要取直径为5毫米的玻璃球。为了防止图像失真，必须在被观察物体和镜头之间放置一个直径大约比球直径小10倍的光阑。此外，光圈必须尽可能靠近镜头设置。如果我们想构建一个具有相同放大倍率的双镜头系统，那么我们可以使用更长焦距的镜头......

这样的计划将如何运作？萨沙不耐烦地打断了他的朋友。

- 这就是如何。通过第一个透镜（物镜）放大的物体可以在另一个透镜（目镜）的帮助下观察，就像通过放大镜一样。这种系统的总放大倍数是物镜放大倍数和目镜放大倍数的乘积

- 那太棒了！这意味着如果添加第三个镜头，总放大倍率将再次增加！而如果第四个...

- 等等，Sashok，你用第三个镜头不会成功。这就是原因。第二透镜放大的图像位于眼睛最佳视力距离处（众所周知，最佳视力距离为250毫米）。为了使用作放大镜的第三个镜头有效工作，相关物体必须位于其焦点附近。这意味着第三个镜头的焦距应接近 250 毫米 - 但其放大倍率将等于 250/250 = 1...

也就是说，第三个镜头不起作用。但这不应该让我们感到不安。毕竟显微镜的放大倍数仍然不可能是无限的。而造成这种情况的原因根本不是镜片的制作难度。你和我完全忘记了光的波动特性。照亮我们物体的光具有非常特定的波长。为了使显微镜放大倍数更大，您需要切换到更短波长的辐射。当然，您知道任何物质粒子都具有波和粒子特性。电子既是粒子又是波。这就是电子显微镜中使用的东西，我们的谈话就是从它开始的。毕竟，电子的波长比可见光的波长短得多。这种显微镜没有玻璃镜片，而是电磁镜片。电子显微镜的放大倍数为数十万倍。您甚至可以看到单个分子，在某些情况下甚至可以看到原子！

- 安德鲁，让我们做一个电子显微镜吧！萨沙火了。

- 不，我们不能那样做。但是我们可以制作一个简单的光学显微镜。

- 但是我们没有短焦镜头...

为此，我们需要用折射率大于空气折射率的材料制作一个小球。嗯，例如……从水中！为此，只需取一块薄金属片并在上面钻一个小孔即可。边缘应用石蜡擦拭。现在，如果你把水滴在洞上，就会形成一个小球——毕竟，水不会弄湿石蜡。这就是我们需要的镜头。

——这样的显微镜会不会太精致、太反复无常了？处理起来可能不太方便。

- 但在现场条件下，你想不出还有什么比它更好的了。想一想：它只是一块带孔的金属板！如果在板上钻不同直径的孔，就可以构建具有不同放大倍率的显微镜。如果您还使用普通放大镜作为目镜，您将获得双镜头系统。

- 是否仍有可能使镜片更耐用？

- 好吧，如果你坚持的话，我们就用更坚固的材料来做吧。例如，由玻璃制成...

- 它是如何由玻璃制成的？ - 萨沙很惊讶。 - 很脆弱！我们要如何处理它？

- 火会擦亮我们的玻璃。如果将细玻璃棒缓慢放入燃烧器火焰中，则棒的末端会形成一个球，因为表面张力作用在任何液体（包括液态玻璃）的表面上。这里你有一个现成的耐用镜片！

如此有趣的对话发生在两位年轻的研究人员之间。也许你们想利用安德烈·古里耶夫的建议并为自己建造一个这样的移动显微镜？

作者：S.Valyansky, I.Nadosekina

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