Jaký je pozorovací rozsah světelného mikroskopu a elektronového mikroskopu
Struktura optického mikroskopu Optický mikroskop se obecně skládá ze stolku, kondenzorového osvětlovacího systému, čočky objektivu, okuláru a zaostřovacího mechanismu. Stolek se používá k držení objektu, který má být pozorován. Zaostřovací mechanismus může být ovládán zaostřovacím knoflíkem, aby se stolek pohyboval nahoru a dolů pro hrubé nastavení a jemné nastavení, takže pozorovaný objekt lze zaostřit a jasně zobrazit.
Jeho horní vrstvu lze přesně posouvat a otáčet v horizontální rovině a pozorovaná část je celkově upravena do středu zorného pole. Osvětlovací systém bodového světla se skládá ze zdroje světla a kondenzorové čočky. Funkcí kondenzorové čočky je soustředit více světelné energie do pozorované části. Spektrální charakteristiky iluminátoru musí být přizpůsobeny pracovnímu pásmu přijímače mikroskopu.
Čočka objektivu se nachází v blízkosti pozorovaného předmětu a je to čočka, která realizuje zvětšení první úrovně. Na konvertoru čočky objektivu je současně instalováno několik čoček objektivu s různým zvětšením a čočka objektivu s různým zvětšením může vstoupit do pracovní optické dráhy otáčením konvertoru. Zvětšení čočky objektivu je obvykle 5 až 100krát. Čočka objektivu je optický prvek, který hraje rozhodující roli v kvalitě obrazu v mikroskopu.
Běžně používané achromatické objektivy, které dokážou korigovat chromatickou aberaci pro dvě barvy světla; kvalitnější apochromatické objektivy, které dokážou korigovat chromatickou aberaci pro tři barvy světla; může zajistit, že celá obrazová rovina čočky objektivu je rovinná, aby se zlepšilo zorné pole Objektivy s plochým polem s okrajovou kvalitou zobrazení. Tekuté imerzní objektivy se často používají ve vysoce výkonných objektivech, to znamená, že index lomu 1 je vyplněn mezi spodním povrchem čočky objektivu a horním povrchem listu vzorku.
5 nebo tak, může výrazně zlepšit rozlišení mikroskopického pozorování. Okulár je čočka umístěná v blízkosti lidského oka pro dosažení druhého stupně zvětšení a zvětšení zrcadla je obvykle 5 až 20násobné. Podle velikosti zorného pole, které lze vidět, lze okuláry rozdělit na běžné okuláry s menším zorným polem a velkoúhlé okuláry (neboli širokoúhlé okuláry) s větším zorným polem.
Stolek i čočka objektivu musí být schopny se pohybovat vzhledem k optické ose čočky objektivu, aby se dosáhlo nastavení zaostření a získal se jasný obraz. Při práci s objektivem s velkým zvětšením je povolený rozsah zaostření často menší než mikron, takže mikroskop musí mít extrémně přesný mechanismus mikrozaostřování. Mez zvětšení mikroskopu je efektivní zvětšení a rozlišení mikroskopu se vztahuje k minimální vzdálenosti mezi dvěma body objektu, které lze mikroskopem jasně rozlišit.
Rozlišení a zvětšení jsou dva odlišné, ale související pojmy. Když numerická apertura zvolené čočky objektivu není dostatečně velká, to znamená, že rozlišení není dostatečně vysoké, mikroskop nerozezná jemnou strukturu předmětu. V tomto okamžiku, i když je zvětšení nadměrně zvýšeno, lze získat pouze obraz s velkým obrysem, ale nejasnými detaily. , tzv. neúčinné zvětšení.
Na druhou stranu, pokud rozlišení splnilo požadavky a zvětšení je nedostatečné, mikroskop má schopnost rozlišení, ale obraz je příliš malý na to, aby byl jasně vidět lidským okem. Proto, aby byla plně využita rozlišovací schopnost mikroskopu, měla by být numerická apertura přiměřeně sladěna s celkovým zvětšením mikroskopu. Kondenzovaný osvětlovací systém má velký vliv na zobrazovací výkon mikroskopu, ale je to také odkaz, který uživatelé snadno přehlédnou.
Jeho funkcí je zajistit dostatečné a rovnoměrné osvětlení povrchu předmětu. Paprsek z kondenzoru by měl být schopen vyplnit úhel clony objektivu, jinak nelze plně využít nejvyšší rozlišení, kterého může objektiv dosáhnout. Pro tento účel je kondenzor opatřen clonou s proměnnou aperturou podobnou cloně ve fotografickém objektivu a velikost clony lze upravit tak, aby se clona osvětlovacího paprsku přizpůsobila úhlu clony objektivu.
Změnou metody osvětlení můžete získat různé metody pozorování, jako jsou body tmavých objektů na světlém pozadí (tzv. světlé pole osvětlení) nebo světlé body objektů na tmavém pozadí (tzv. tmavé pole osvětlení), abyste je mohli lépe objevovat v různých situacích. a pozorovat mikrostrukturu. Elektronový mikroskop je přístroj, který na principu elektronové optiky nahrazuje světelný paprsek a optickou čočku elektronovým paprskem a elektronovou čočkou, takže jemnou strukturu hmoty lze zobrazit při velmi velkém zvětšení.
Rozlišovací schopnost elektronového mikroskopu je vyjádřena nejmenší vzdáleností mezi dvěma sousedními body, kterou dokáže rozlišit. V 1970 letech bylo rozlišení transmisních elektronových mikroskopů asi 0,3 nanometrů (rozlišovací schopnost lidského oka byla asi 0,1 mm). Nyní je maximální zvětšení elektronového mikroskopu více než 3 milionkrát a maximální zvětšení optického mikroskopu je asi 2000krát, takže atomy určitých těžkých kovů a úhledně uspořádanou atomovou mřížku v krystalech lze přímo pozorovat elektronovým mikroskopem.
V roce 1931 upravili Knorr-Bremse a Ruska v Německu vysokonapěťový osciloskop s výbojovým zdrojem elektronů se studenou katodou a třemi elektronovými čočkami a získali více než desetkrát zvětšený obraz, který potvrdil možnost zvětšování zobrazení elektronovým mikroskopem. . . V roce 1932, po Ruskově vylepšení, dosáhla rozlišovací schopnost elektronového mikroskopu 50 nanometrů, což byl asi desetinásobek rozlišovací schopnosti optického mikroskopu v té době, takže elektronový mikroskop začal přitahovat pozornost lidí.
Ve 1940 letech 20. století Hill ve Spojených státech používal astigmatismus ke kompenzaci rotační asymetrie elektronové čočky, což znamenalo nový průlom v rozlišovací schopnosti elektronového mikroskopu a postupně dosáhlo moderní úrovně. V Číně byl v roce 1958 úspěšně vyvinut transmisní elektronový mikroskop s rozlišením 3 nanometry a v roce 1979 byl vyroben s rozlišením 0.
3 nm velký elektronový mikroskop. Přestože je rozlišovací schopnost elektronových mikroskopů daleko lepší než optických mikroskopů, je obtížné pozorovat živé organismy, protože elektronové mikroskopy musí pracovat ve vakuu a ozařování elektronových paprsků také způsobí radiační poškození biologických vzorků. Další otázky, jako je zlepšení jasu elektronového děla a kvalita elektronové čočky, je také třeba dále studovat.
Rozlišovací schopnost je důležitým indikátorem elektronové mikroskopie, který souvisí s úhlem dopadajícího kužele a vlnovou délkou elektronového paprsku procházejícího vzorkem. Vlnová délka viditelného světla je asi 300 až 700 nanometrů, přičemž vlnová délka elektronového paprsku souvisí s urychlujícím napětím. Když je urychlovací napětí 50-100 kV, je vlnová délka elektronového paprsku asi 0.
0053 až 0,0037 nm. Protože vlnová délka elektronového paprsku je mnohem menší než vlnová délka viditelného světla, i když je úhel kužele elektronového paprsku pouze 1 procento úhlu optického mikroskopu, je rozlišovací schopnost elektronového mikroskopu stále mnohem lepší než optického mikroskopu. Elektronový mikroskop se skládá ze tří částí: čočkového tubusu, vakuového systému a napájecí skříně.
Tubus objektivu obsahuje především elektronovou pistoli, elektronovou čočku, držák vzorku, fluorescenční stínítko a mechanismus fotoaparátu, které jsou obvykle sestaveny do válce shora dolů; vakuový systém se skládá z mechanické vývěvy, difuzní vývěvy a vakuového ventilu atd. Plynové potrubí je spojeno s tubusem čočky; napájecí skříň se skládá z vysokonapěťového generátoru, stabilizátoru budícího proudu a různých nastavovacích a řídicích jednotek.
Elektronová čočka je nejdůležitější částí tubusu elektronového mikroskopu. Využívá prostorové elektrické pole nebo magnetické pole, které je symetrické k ose tubusu čočky, aby ohýbalo trajektorii elektronů k ose za účelem zaostření. Jeho funkce je podobná jako u skleněné konvexní čočky pro zaostření paprsku, proto se nazývá elektron. objektiv. Většina moderních elektronových mikroskopů používá elektromagnetické čočky, které zaostřují elektrony silným magnetickým polem generovaným velmi stabilním stejnosměrným budicím proudem cívkou s pólovou patkou.
Elektronová tryska je součást skládající se z žhavé katody s wolframovým vláknem, mřížky a katody. Může emitovat a tvořit elektronový paprsek s rovnoměrnou rychlostí, takže stabilita urychlovacího napětí není menší než 1/10,000. Elektronové mikroskopy lze podle konstrukce a použití rozdělit na transmisní elektronové mikroskopy, rastrovací elektronové mikroskopy, odrazové elektronové mikroskopy a emisní elektronové mikroskopy.
Transmisní elektronové mikroskopy se často používají k pozorování těch jemných struktur materiálu, které nelze rozlišit běžnými mikroskopy; rastrovací elektronové mikroskopy se používají hlavně k pozorování morfologie pevných povrchů a lze je také kombinovat s rentgenovými difraktometry nebo elektronovými energetickými spektrometry za vzniku elektronů. Mikrosondy pro analýzu složení materiálu; Emisní elektronová mikroskopie pro studium povrchů samoemitujících elektronů.
Projekční elektronový mikroskop je pojmenován podle toho, jak elektronový paprsek proniká vzorkem a poté využívá elektronovou čočku k zobrazení a zvětšení. Jeho optická dráha je podobná jako u optického mikroskopu. V tomto elektronovém mikroskopu vzniká kontrast detailů obrazu rozptylem elektronového paprsku atomy vzorku. Tenčí nebo méně husté části vzorku se elektronový paprsek rozptyluje méně, takže otvorem objektivu projde více elektronů, účastní se zobrazování a na snímku se jeví jako jasnější.
Naopak tlustší nebo hustší části vzorku se na obrázku jeví tmavší. Pokud je vzorek příliš tlustý nebo příliš hustý, kontrast obrazu se zhorší nebo dokonce poškodí nebo zničí absorbcí energie elektronového paprsku. Vršek tubusu transmisního elektronového mikroskopu je elektronové dělo. Elektrony jsou emitovány horkou katodou s wolframovým vláknem a procházejí prvním a druhým kondenzátorem, aby zaostřily elektronový paprsek.
Po průchodu vzorkem se elektronový paprsek zobrazí na mezilehlém zrcadle čočkou objektivu a poté se krok za krokem zvětší přes mezilehlé zrcadlo a projekční zrcadlo a poté se zobrazí na fluorescenční obrazovce nebo fotografické suché desce. Mezilehlé zrcadlo upravuje především budicí proud a zvětšení lze plynule měnit od desítek až po stovky tisíckrát; změnou ohniskové vzdálenosti mezilehlého zrcadla lze získat obrazy elektronového mikroskopu a obrazy elektronové difrakce na malých částech stejného vzorku. .
Za účelem studia silnějších vzorků kovových plátků vyvinula francouzská laboratoř elektronové optiky Dulos elektronový mikroskop ultravysokého napětí s urychlovacím napětím 3500 kV. Elektronový paprsek rastrovacího elektronového mikroskopu neprochází vzorkem, ale pouze snímá a excituje sekundární elektrony na povrchu vzorku. Scintilační krystal umístěný vedle vzorku přijímá tyto sekundární elektrony a moduluje intenzitu elektronového paprsku obrazovky po zesílení, čímž mění jas na obrazovce obrazovky.
Vychylovací třmen obrazovky udržuje skenování synchronně s elektronovým paprskem na povrchu vzorku, takže fluorescenční stínítko obrazovky zobrazuje topografický obraz povrchu vzorku, což je podobné principu fungování průmyslové televize. Rozlišení rastrovacího elektronového mikroskopu je určeno především průměrem elektronového paprsku na povrchu vzorku.
Zvětšení je poměr amplitudy skenování na obrazovce k amplitudě skenování na vzorku, který lze plynule měnit od desítek po stovky tisíckrát. Rastrovací elektronový mikroskop nevyžaduje velmi tenké vzorky; obraz má silný trojrozměrný efekt; dokáže analyzovat složení hmoty pomocí informací, jako jsou sekundární elektrony, absorbované elektrony a rentgenové záření generované interakcí elektronových paprsků s hmotou.
Elektronové dělo a kondenzor rastrovacího elektronového mikroskopu jsou zhruba stejné jako u transmisního elektronového mikroskopu, ale aby byl elektronový paprsek tenčí, je pod kondenzorovou čočkou přidána čočka objektivu a astigmatismus a dvě sady vzájemně kolmé skenování je také instalováno uvnitř čočky objektivu. cívka. V komůrce na vzorky pod čočkou objektivu je umístěn stojan na vzorky, který lze posouvat, otáčet a naklánět.
