Mikroskop

Mikroskop - urządzenie optyczne umożliwiające silne powiększanie obrazów maleńkich obiektów (dziś mikroskopy optyczne powiększają nawet ok. 2000 razy). Do schyłku XVI wieku człowiek mógł obserwować maleńkie zwierzęta, rośliny i struktury różnych materii, tylko przy pomocy oka lub prostych soczewek. Mikroświat otworzył przed nami swoje tajemnice dzięki wynalazkowi holenderskich braci Zacharaisa i Hansa Jansen. Skonstruowali one proste mikroskopy optyczne (2 soczewki), o stałym powiększeniu 10-krotnym. Jednak nie potrafili znaleźć ich zastosowania. Dopiero Galileusz zastosował mikroskop do obserwacji naukowych - głównie w przyrodzie. Znaczącą rolę w ulepszaniu mikroskopu i poszerzaniu wiedzy o mikroświecie odegrał również Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723). Który rozpoczął produkcję mikroskopów, na dosyć szeroką skalę i jako pierwszy obserwował żywe komórki.

Konstrukcje mikroskopów zrewolucjonizował pomysł wykorzystania w mikroskopie elektronów. W roku 1931 pierwszy mikroskop elektronowy skonstruowali Ernst Ruska i Maksem Knollem w Berlinie. Mikroskop ten umożliwił dokładne zbadanie obiektów o wielkości zaledwie jednej milionowej milimetra, człowiek zajrzał po raz pierwszy do wnętrza komórek. Z kolei w roku 1982 Gerd Binnig i Heinrich Rohrer, skonstruowali mikroskop STM, który wprowadził naukowców w świat atomów. Ewenementem tego mikroskopu była również zdolność do "łapania" i przenoszenia pojedynczych atomów.

Budowa mikroskopu: głównym elementem jest tubus - "rura", na którego końcach znajdują się soczewki - okular i obiektyw; układ oświetlenia preparatu i stolik preparatowy. Obiektyw i okular muszą być soczewkami o krótkiej ogniskowej, ale ten wymóg powoduje, że większość promieni biegnie w znacznej odległości od osi głównej tych soczewek. Co z kolei pociąga za sobą znaczne ryzyko wystąpienia wad optycznych - aberracja i astygmatyzm. Dlatego aby wyeliminować te niepożądane zjawiska, zamiast dwóch pojedynczych soczewek w mikroskopie stosuje się odpowiedni wielosoczewkowy układ optyczny. Układ zastosowany dla okularu jest to tzw. układ Huygensa. Przestrzenne widzenie powiększanego obrazu umożliwiają tzw. mikroskopy stereoskopowe (binokulary) - jest to typ mikroskopu optycznego, który posiada podwójny układ obiektyw - okular dla każdego oka osobno.

Obiektyw mikroskopu tworzy obraz obiektuo następujących cechach: rzeczywisty, odwrócony i powiększony. Obraz ten "wędruje" do oka obserwatora poprzez okular, który pełni tu rolę lupy. A ta jak wiadomo daje obraz pozorny, prosty i silnie powiększony.

Powiększenie mikroskopu p: jest ono iloczynem powiększeń obiektywu pb i okularu pk:

p = pb ∙ pk.

Przyjmijmy następujące oznaczenia:

fb- ogniskowa obiektywu

fk - ogniskowa okularu

l - długość tubusu

x - położenie przedmiotu przed obiektywem jest większe, ale bliskie jego ogniskowej (x≈fb),

y - położenie obrazu przedmiotu utworzonego przez obiektyw leży w punkcie tuż za ogniskiem okularu (patrząc od strony obiektywu w kierunku okularu). Ze względu na krótką ogniskową okularu możemy więc przyjąć, że y jest bliskie długości tubusu (y≈l). Rozważając z kolei tworzenie obrazu przez okular: x' - położenie obrazu utworzonego przez obiektyw względem okularu jest bliskie ogniskowej okularu (x'≈fk),

y' - położenie obrazu przedmiotu utworzonego przez okular odpowiada długości odległości najlepszego widzenia d ≈ 25 cm. Czyli przyjmujemy y' ≈ d.

Teraz zgodnie z tymi oznaczeniami otrzymany wzór na powiększenie mikroskopu optycznego: p = pb ∙ pk=y/x ∙y'/x' = l/fb∙ d/fk.

Czyli p = d∙l/fb∙ fk.

Zdolność rozdzielcza mikroskopu - to dodatkowy parametr, a zarazem zaleta mikroskopu, polegająca na "rozróżnianiu" drobnych szczegółów i ich uwydatnianiu. Zdolność rozdzielcza przyrządu optycznego zapobiega zlewaniu się obrazów małych elementów badanego przedmiotu. Zdolność rozdzielcza mikroskopu zależy od kąta rozwartości optycznej obiektywu Ψ (kąt płaski, którego wierzchołek leży w połowie przedmiotu, a ramiona opierają się na obrzeżach soczewki obiektywu), długości fali promieniowania padającego na obserwowany obiekt λ. Jasność obrazu zależy od rozwartości kąta Ψ.

Minimalne rozmiary szczegółów przedmiotu , jakie możemy zaobserwować przy pomocy danego mikroskopu obliczamy ze wzoru:

∆ = λ/n∙sin Ψ,

gdzie n to współczynnik załamania ośrodka pomiędzy przedmiotem, a obiektywem.

Zwiększanie rozdzielczości obrazu otrzymywanego poprzez mikroskop jest niestety ograniczone długością fali światła widzialnego, dlatego też dalszy rozwój mikroskopów umożliwia stosowanie innych rodzajów promieniowania, np. nadfiolet, elektrony i inne cząstki.

Lupa

Lupa - przyrząd optyczny umożliwiający ok. 20 - krotnie powiększenie obrazów obiektów, które znajdują się w bliskiej odległości. Jednak odległość ta musi być mniejsza od ogniskowej. Lupa tworzy obraz prosty, pozorny i powiększony, w punkcie oddalonym od soczewki o d = 25cm - odległość najlepszego widzenia. Powiększenie wyraża się wzorem: p = d/f,

gdzie d- to odległość najlepszego widzenia, f - ogniskowa soczewki lub układu soczewek. Lupa najczęściej kojarzy nam się z soczewką z przymocowaną rączką, która ułatwia jej stosowanie. Tak charakterystycznie obudowaną lupę nazywamy po prostu szkłem powiększającym.

Luneta

Luneta - przyrząd optyczny umożliwiający obserwacje odległych obiektów, poprzez zwiększanie kątowych wymiarów ciał oraz odstępów miedzy nimi. Luneta posiada charakterystyczną obudowę w kształcie tuby zakończonej z jednej strony obiektywem (soczewka lub układ soczewek o długiej ogniskowej, skierowywany na obserwowane obiekty), a z drugiej strony okularem (również soczewka, przykładana bezpośrednio do oka obserwatora). Luneta tworzy obraz rzeczywisty, ale odwrócony i bardzo mały. Powstaje on zaraz za ogniskiem obiektywu. Aby stał się on bardziej widoczny i przydatny, w punkcie ogniska obiektywu, swoje ognisko ma również okular. Okular tak jakby "przekazuje" dalej obraz obiektu. Ostateczny obraz powstaje w okularze, jest on jednak pozorny i odwrócony, ale znacznie powiększony.

Wyróżniamy dwa rodzaje lunet:

  • lunety ziemskie, tj. lunety galileuszowskie lub inaczej holenderskie - ich charakterystyczne własności, to: tworzenie obrazu prostego, pozornego, powiększonego i nieodwróconego; optyczny układ odwracający i okular skupiający albo tylko okular rozpraszający. Obecne lornetki teatralne są zbudowane z dwóch takich lunet.
  • lunety astronomiczne, tj.keplerowskie - dające obraz odwrócony, umożliwiające obserwację planet, księżyców i gwiazd. Lunety te stosuje się tam, gdzie nie sprawia kłopotu odwrócenie otrzymywanego obrazu - głównie astronomia (obserwacja nieba) i geodezja.

Nazwy tych lunet sugerują nazwiska ich konstruktorów. Pierwszą lunetę ziemską skonstruował optyk holenderski Z. Jansen w 1604. W 1609 Galileusz zbudował również własny model lunety, najpierw powiększała ona tylko 3-krotnie, ale w szybkim czasie Galileusz dopracował ją tak, że mógł bez problemu wykorzystywać ją do obserwacji astronomicznych Księżyca, Jowisza i jego księżyców oraz wielu innych obiektów Układu Słonecznego. Luneta Galileusza zbudowana była z jednosoczewkowego obiektywu (soczewka skupiająca, dwuwypukła o długim ognisku) i okularu będącego soczewką rozpraszającą (dwuwklęsła o krótkim ognisku).

Pierwszą lunetę astronomiczną skonstruował w 1611 r. Johannes Kepler. Również i on zastosował dwie soczewki - pierwsza jest obiektywem i tworzy obraz pomniejszony i odwrócony, druga soczewka skupiająca - pełniąca rolę lupy przekazuje obraz dalej. Aby poszerzyć pole widzenia, wbudowuje się dodatkowo soczewkę tzw. polową. Razem z lupą tworzą one okular.

Powiększenie kątowe lunety zarówno ziemskiej jak i astronomicznej obliczamy ze wzoru: p = fb/fk, gdzie fb - ogniskowa obiektywu, fk - ogniskowa okularu. Wielkość powiększenia otrzymywanego dzięki lunetom można regulować poprzez długość ogniskowej obiektywu oraz wielkość źrenicy wejściowej, która bezpośrednio wpływa na zdolność rozdzielczą obiektywu. Niestety większe możliwości obiektywu są ograniczane przez zjawisko dyfrakcji fal. Ważne jest również to, że aby obiektyw "postrzegał" dwa przedmioty osobno, to różnica kąta ich obserwacji musi spełniać kryterium J.W. Rayleigha: Δψ ≥1,22λ/d, gdzie: λ - długość fali, d - odległość najlepszego widzenia (25cm). Warunek ten bardzo często upraszcza się do postaci: Δψ ≥140" (jedn. stopnie łuku)/d, gdzie d wyraża się w mm.

Teleskop

Teleskop - przyrząd konstrukcyjnie podobny do lunety, służący do obserwacji wizualnych i fotograficznych obiektów astronomicznych. Promienie świetlne pochodzące z odległych obiektów astronomicznych docierają do teleskopu, który skupia je i tworzy rzeczywisty obraz obserwowanego obiektu.

Powiększenie p teleskopu oblicza się analogicznego jak w przypadku lunety, tj.

p = F/f,

gdzie: F - ogniskowa obiektywu, f - ogniskowa okularu.

Wyróżniamy kilka rodzajów teleskopów:

  • teleskop refrakcyjny (refraktor)- duża luneta astronomiczna z układem soczewkowym,
  • teleskop zwierciadlany (reflektor)- układ optyczny z obiektywem zwierciadlanym (zwierciadło wklęsłe). Promienie świetlne wpadając do teleskopu zostają odbite przez obiektyw w kształcie dużego zwierciadła wklęsłego i przekazane do okularu przez małe zwierciadło wklęsłe. Taki model teleskopu opracował francuski rzeźbiarz N. Cassegrain (w roku 1672). Aby doprowadzić światło bezpośrednio z głównego zwierciadła do małego (hiperboloidalnego), przewiercił on dziurę w zwierciadle głównym. System ten przetrwał do dziś, oczywiście z wieloma udoskonaleniami. Używa się również obiektywów bez przewiertu, ale za to z dodatkowymi kilkoma zwierciadłami płaskimi, pomagającymi odpowiednio skierować wiązki światła. Duże teleskopy, są prawie zawsze typu - reflektor, gdyż ich obiektywy mogą być zwierciadłami o kilkumetrowych średnicach. Z ich budowy (oprócz kłopotliwych rozmiarów i masy kilkuset ton) wynikają dodatkowe korzyści: brak aberracji sferycznej i chromatycznej z uwagi na paraboloidalny kształt stosowanych zwierciadeł, mała ilość koniecznych oszlifowań, mniejsze narażenie na deformacje układu optycznego.
  • teleskop zwierciadlano-soczewkowy - układ optyczny z obiektywem zwierciadlano - soczewkowym, o szerokim polu widzenia, wolny od wad układów optycznych, służący głównie do prowadzenia obserwacji fotograficznych. Wyróżniamy dwa typy tych urządzeń: kamera Schmidta (wklęsłe zwierciadło sferyczne i szklana płyta o skomplikowanym kształcie, która koryguje wady obrazu; rok powstania - 1931; konstruktor -B.V. Schmidta) i kamera Maksutowa (obiektyw meniskowy ze sferycznym zwierciadłem i wklęsło-wypukłą soczewką; rok powstania - 1941; konstruktor D.D. Maksutowa).

Historia teleskopów zwierciadlanych:

  • pierwszy tego typu teleskop skonstruował N. Zucchius (1616)
  • następnie swoje projekty opracowali: Anglik J. Gregory (1663), I. Newton (1668
  • J. Hadley w 1721) i francuski rzeźbiarz N. Cassegrain (1672) - zrealizowali pomysł Newtona
  • W latach 1936-1948 trwała budowa ówcześnie największego teleskopu zwierciadlanego - G.E. Hale'a na Mount Palomar (Kalifornia, USA), o średnicy 508 cm,
  • W 1975 w Zielenczukskaja (Kaukaz) oddano do użytku teleskop o średnicy 600 cm - jednak odkształcenia i naprężenia ważącego 42 t lustra znacznie zniekształciły ostrość obrazu
  • Wtedy też, obawa przed budową kolejnego nie w pełni sprawnego teleskopu skierowała konstruktorów na nowy tor - zaczęto tworzyć teleskopy wielozwierciadłowe. W 1979 roku powstał Multiple Mirror Telescope na Mount Hopkins (Arizona, USA), którego 6 zestrojonych zwierciadeł o średnicy 180 cm każde, odpowiada pojedynczemu zwierciadłu o średnicy 450 cm
  • Od roku 1989 w Chile, rozpoczął obserwacje teleskop New Technology Telescope, o średnicy 3,5 m. W teleskopie tym po raz pierwszy zastosowano czynną korekcję odkształceń - tzn. deformacji kształtu lustra zwierciadła, zapobiegają sterowane komputerowo wymuszone, minimalne zmiany kształtu poszczególnych fragmentów lustra.
  • Największy obecnie teleskop, tzw. Keck I, powstał na szczycie Mauna Kea (Hawaje, USA, pracuje od 1992: 36 zwierciadeł dających łączną średnicę 1000 cm). Bliźniaczy Keck II został uruchomiony w 1996 roku. Oba teleskopy tworzą układ interferometru gwiazdowego o średnicy 9,82 m. Dwa razy w ciągu sekundy komputer steruje ułożeniem płytek lustra, aby uniknąć zniekształceń.Na szczycie Manua Kea, pogoda najbardziej sprzyja obserwacji astronomicznym. Stąd jest to doskonałe miejsce do budowy teleskopów.
  • Od roku 1999 obok "bliźniaków" - Keck I i Keck II, rozpoczął pracę teleskop Subaru - posiada on największy sprawny obiektyw zbudowany z jednego zwierciadła o średnicy 8,3 m, prowadzi się nim obserwacje w świetle widzialnym i podczerwieni.
  • Wynalazki konstruktorów teleskopów zrewolucjonizowały obserwację przestrzeni kosmicznej. Naukowcy i inżynierowie w ciągle usprawniają teleskopy. Jednak, często doskonały nawet sprzęt napotyka przeszkody w postaci drgań atmosfery, negatywnie wpływających na jakość obserwacji. Problem ten zapoczątkował nową erę obserwacji teleskopowych:

- poprzez wyniesienie teleskopów na orbitę ziemską. Przykładem takiego teleskopu jest Hubble Space Telescope (Hubble'a teleskop)

- poprzez zastosowanie optyki adaptacyjnej. Przykładowy teleskop pracujący w oparciu o tę technikę, to: znajdujący się na Mauna Kea, Canadian-France-Hawaii Telescope, o średnicy 358 cm.