МІКРОСКОП З КАПЛИ ВОДИ
Я захоплююся біологією, і в роботі мені необхідний мікроскоп. У школі вони є, але користуватися ними можна лише в години уроків. Адже навіть найпростіший мікроскоп коштує недешево і вимагає дбайливого догляду. Цікаво, чи можна домогтися великого збільшення за допомогою підручних засобів, не користуючись дорогою технікою?
Сергій Паламарчук, м Гомель
Семикласник Саші Путятін проживає в місті вчених, підмосковній Дубні, і дуже захоплюється фізикою. Якось раз, перегортаючи науково-популярну книжку, він наткнувся на цікаву картинку. На ній були зображені якісь кульки, а внизу стояв підпис: "Фотографія молекул, отримана за допомогою електронного мікроскопа". Переворушити в розумі підручник фізики, хлопчик швидко уявив собі іншу, знайому картинку: шматок дроту і рухаються усередині нього точки зі знаком "мінус" - електрони. Як же за допомогою цих частинок вдалося отримати фотографію? І Саша побіг за роз'ясненнями до сусіда по сходовій клітці Андрію Гур'єва. Андрій навчається в десятому класі і готується вступати до університету на фізичний факультет. Кращого консультанта для Саші і придумати важко.
- Тебе цікавить електронний мікроскоп? - перепитав Андрій. - А чи знаєш ти, як працює звичайний?
- А чого ж тут складного? - вигукнув Сашко. - Береш кілька лінз, вставляєш їх в трубку - ось тобі і мікроскоп!
- Дійсно, як просто! Відразу і мікроскоп, і підзорна труба! Але жарти в сторону. Як ти думаєш, з однієї лінзи можна зробити мікроскоп?
- Ну, це я знаю. Коли одна лінза, такий прилад називається лупою.
- Правильно. Але чи знаєш ти, що голландський біолог Антоні ван Левенгук, першим побачив мікронаселеніе ставка, користувався лупою, а цей прилад зараз називається мікроскопом Левенгука? Причому, збільшенням він володів таким же, як звичайний сучасний мікроскоп.
- Незрозуміло, навіщо ж тоді роблять багатолінзові мікроскопи, якщо достатньо мати лише одну?
- Це дуже цікаве питання. Давай в ньому розберемося.
Людське око може розрізнити дрібну структуру, якщо відстань між двома елементами цієї структури більше 0,08 мм. Але життя ставить завдання, в яких треба розглядати об'єкти зі структурою набагато більш дрібної. Тут і приходять на допомогу оптичні прилади. Збільшення, яке можна отримати за допомогою однієї лінзи, визначається як 250 / f, де f - фокусна відстань лінзи, виміряний в міліметрах. А фокусна відстань лінзи можна визначити за формулою f = r / (n-1), де r - радіус кривизни поверхні лінзи (для простоти будемо вважати, що лінза має однакові радіуси кривизни для передньої і задньої половинок), n - показник заломлення матеріалу, з якого виготовлена лінза. Якщо, наприклад, вона зроблена зі звичайного скла, то n = 1,5, і тоді фокусна відстань лінзи і радіус її кривизни будуть величинами одного порядку. Значить, щоб отримати збільшення в 100 разів, треба взяти скляну кульку діаметром 5 мм. А щоб зображення не спотворювалося, між спостережуваним об'єктом і лінзою доведеться поставити діафрагму діаметром приблизно в 10 разів менше діаметра кульки. Причому діафрагму слід розмістити якомога ближче до лінзи. Якщо ж ми захочемо побудувати двохлінзовому систему з таким же збільшенням, то можна застосувати лінзи більш довгофокусні.
- А як буде працювати така схема? - нетерпляче перебив друга Саша.
- А ось як. Об'єкт, збільшений першої лінзою (об'єктивом), розглядається за допомогою іншої лінзи (окуляра) як через лупу. Сумарне збільшення такої системи є твір збільшення об'єктива на збільшення окуляра
- Ось чудово! Значить, якщо поставити ще й третю лінзу, то сумарне збільшення знову збільшиться! А якщо четверту.
- Стривай, Сашко, у тебе нічого не вийде вже з третьої лінзою. І ось чому. Зображення, збільшене другий лінзою, знаходиться на відстані найкращого зору від ока (відстань найкращого зору, як ти знаєш, 250 мм). А для того щоб третя лінза, яку ти збираєшся використовувати в якості лупи, ефективно працювала, даний об'єкт повинен знаходитися біля її фокуса. Значить, фокусна відстань третьої лінзи має бути близько до 250 мм - але ж тоді її збільшення дорівнюватиме 250/250 = 1.
Тобто третя лінза не працюватиме. Але це не повинно нас засмучувати. Адже збільшення мікроскопа все одно не може бути безмежним. І причина цього зовсім не в складності виготовлення лінз. Ми з тобою зовсім забули про хвильових властивості світла. Світло, що освітлює наш об'єкт, має цілком певну довжину хвилі. Щоб зробити збільшення мікроскопа ще більшим, потрібно переходити на більш короткохвильове випромінювання. Ти, звичайно, знаєш, що будь-яка матеріальна частка має як хвильовими, так і корпускулярними властивостями. Електрон - одночасно і частинка і хвиля. Це і використовується в електронному мікроскопі, з якого почалася наша розмова. Адже довжина хвилі електрона багато менше довжин хвиль видимого світла. А замість скляних лінз в такому мікроскопі стоять електромагнітні лінзи. Збільшення електронних мікроскопів - сотні тисяч разів. Можна побачити навіть окремі молекули, а в деяких випадках - і атоми!
- Андрій, давай зробимо електронний мікроскоп! - загорівся Саша.
- Ні, це нам не під силу. А ось зробити простий світловий мікроскоп ми можемо.
- Але ж у нас немає короткофокусних лінз.
Для цього нам треба зробити маленький кульку з матеріалу, показник заломлення якого більше, ніж у повітря. Ну наприклад. з води! Для цього достатньо взяти тонкий лист металу і просвердлити в ньому невеликий отвір. Краї його треба натерти парафіном. Тепер, якщо капнути на отвір воду, то утворюється невелика кулька - адже вода не змочує парафін. Це і є потрібна нам лінза.
- А чи не буде такий мікроскоп занадто ніжним і примхливим? Напевно, працювати на ньому буде не дуже-то зручно.
- А чи не можна все-таки домогтися, щоб лінза була міцнішою?
- Що ж, якщо ти наполягаєш, давай зробимо її з міцнішого матеріалу. Наприклад, зі скла.
- Як це зі скла? - здивувався Саша. - Воно ж крихке! Як же ми будемо його обробляти?
- Скло нам відшліфує вогонь. Якщо тонку скляну паличку потихеньку опускати в полум'я пальника, то на кінці палички буде утворюватися кульку, тому що на поверхні будь-якої рідини, і рідкого скла в тому числі, діють сили поверхневого натягу. Ось тобі і готова міцна лінза.
Такий цікавий розмова відбулася у двох юних дослідників. Може бути, і ви, хлопці, захочете скористатися рекомендаціями Андрія Гур'єва і побудувати собі такий похідний мікроскоп?
С. Валянский, І. НАДОСЕКІНА