Закрыть окно

Уникальные микроскопы высокого разрешения.


 если есть вопросы - пишите

Вот всеми горячо любимый вирус Covid-19, его размер оценивается от 100 до 175 нм. (1 нанометр = 10-9 метра)

Диапазон длин волн видимого человеком  света:  от 780нм (красный) до 360нм (фиолетовый). Максимум чувствительности глаза - это зеленый: 555нм или 540ТГц.

Как следствие- мы не можем ни при каком увеличении увидеть объекты мельче ~0.2 мкм (200 нм).

Далее следует так называемый дифракционный предел. это минимальное значение размера изображения, которое можно получить при фокусировке электромагнитного излучения. Меньше не позволяет явление дифракции (огибание предмета волной)

Но нет ПРЕДЕЛА СОВЕРШЕНСТВУ!
В начале 2007 года было заявлено о создании метаматериала с ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ показателем преломления в видимой области. У новинки показатель преломления на длине волны 780 нм был равен −0,6
Журнал "Physical Review Letters" публикует статью, что в среде с отрицательным показателем преломления можно преодолеть дифракционный предел разрешения обычной оптики. В такой среде пространство изображений линзы нетождественно предмету, так как оно формируется без затухающих волн. Звучит фантастически, но таким образом удается увеличить разрешение микроскопа на порядок. (из Википедии)
 Но это уже XXI век. Однако в 40-х годах прошлого века 0.2 мкм - это теоретический предел.

  0.2 мкм при увеличении всего в 5000 раз даст свободно различимый мнимый размер в 1 мм.

В наше время увеличение, в принципе, не является показателем качества оптики. Современные  микроскопы допускают установку видеокуляра в тубус микроскопа. Тогда можно вывести изображение на экран любого размера.

Райфу для наблюдения за микроорганизмами требовалось более высокое разрешение наименьшее расстояние между элементами наблюдаемого объекта, при котором эти элементы ещё могут быть различимы как отдельные. Разрешение обычного светового микроскопа составляет примерно 200нм , доступное только за пределами видимого диапазона - в области ультрафиолета.

Но ультрафиолет не различим нашим глазом.

 Чтобы получить изображение,

Р. Райф сконструировал гетеродинный ультрафиолетовый микроскоп.

 Используя газоразрядную лампу с широким спектром излучения инженер выделял из него две частоты призмами из кварцевого стекла Оптическое стекло из чистого оксида кремния (SiO2), получаемое плавлением горного хрусталя, совершенно однородно имеет широкую зону прозрачности , прозрачного для ультрафиолета.

Сам принцип известен еще из школьного курса физики.

При прохождении через границу сред с различными коэффициентами преломления электромагнитные колебания  с разными частотами отклоняются на угол, зависящий от длины волны. Чем короче волна, тем больше угол (при положительном коэффициенте преломления). Рисунок демонстрирует принцип для случая видимого диапазона.

Пропуская выходной сигнал призмы через узкую щель можно выбрать узкий диапазон частот.

То есть используя две призмы, получаем два излучателя с близкими частотами от одного источника света.


 Если частоты двух источников излучения совпадают и фазы их относительно друг друга неизменны, (сигналы когеррентны ) в пространстве получается устойчивая
  интерференционная картинка. Взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга. Сопровождается чередованием максимумов и минимумов интенсивности в пространстве.    >>>> см рисунок >>>>


При сложении колебаний близких частот

X1 =A1 cos(ω1*t + φ1)

X2 =A2 cos(ω2*t + φ2), (где ω1, ω2, и φ1, φ2   частоты и фазы сигналов в точке наблюдения) получим разностную частоту
  Δω = |ω1-ω2| << ω1, ω и суммарную частоту. (но она очень высока, поэтому в данном случае не интересна.)

Разностная частота называется биениями и часто применяется для различного рода измерений.

Медленно перемещая элементы устройства, возможно подбирать частоты исходного излучения таким образом, чтобы разностная частота попадала в видимую область светового диапазона.

Вариант образования суммарного/разностного сигнала показан на рисунке.

Вот этот разностный сигнал и наблюдал Раймонд Райф.

Свое творение он назвал "Универсальный Микроскоп"

Случай образования биений справедлив только на интервале 
τ = 2π/Δω, когда сигналы можно считать условно когерентными.

Процесс излучения электромагнитных волн инициируется переводом атома в возбужденное состояние при получении им внешней энергии. Например, за счет теплового движения соседних молекул.

Возбуждение атома заключается в переводе его электронов на более высокую орбиту. Их у каждого атома несколько.

 При возврате в нормальный, более низкий энергетический уровень электрон излучает электромагнитную волну. Уровень, с которого "соскакивает" электрон определяет энергию - частоту кванта излучения. В процессе свечения участвует совокупность гигантского количества источников-атомов, которые постоянно «вспыхивают» случайным, не согласованным друг с другом образом.

Время излучения такого источника порядка 10-9 -10-8 с.

За это время свет пробегает около 30 - 300 см, этот отрезок волны называют волновым цугом.

Как следствие вышесказанного квантовая интерференция отличается, от интерференции в макромире. Кроме обычных волновых процессов в работу включаются вероятностные квантовые законы, которые, как правило, не имеют аналогов в классической физике.

В частности, интерференция реальна только в пределах волнового цуга.

>> Для особо любознательных Квантовая интерференция.pdf >>>

Оказывается, некоторые законы квантовой физики работают не только в микромире.
Уравнение Шредингера, описывающее вероятностные законы поведения элементарных частиц, предсказывают вероятности появления сверхбольших волн в океане.
Для подтверждения этой гипотезы агентство NASA даже вывело специальный спутник на орбиту.

Микроскоп, кликните для увеличенияКварцевое стекло пропускает излучение с длиной волны более 190 нм. Таким образом, разрешение Универсального микроскопа было приблизительно в 2 раз лучше обычного оптического,  и увеличение от 5 до 17 тыс раз.

Но прибор состоял из 6 тыс. деталей. И для его настройки изобретателю требовалось несколько часов кропотливой работы.

Подробное описание микроскопа мне найти не удалось. В настоящее время, с появлением более совершенных и простых методов увеличения разрешения такие устройства не применяются.

Но гетеродинный метод, который  использовал Райф находит применение в микроскопах,
 как пример: "Микроскоп с несколькими источниками излучения" (Патент США № 3,129,353 1964г)


Ультрамикроскоп - прибор для обнаружения коллоидных (взвешенных) частиц меньше оптического разрешения

Допускает  обнаружение частиц столь малых размеров, что их нельзя наблюдать в обычные микроскопы.

 В ультрамикроскоп наблюдаются не сами частицы, а большие по размерам пятна дифракции света на них. При сильном боковом освещении каждая частица выглядит как яркая точка на темном фоне.

Ультрамикроскоп не дает оптические изображения исследуемых объектов. За счет дифракции на мельчайших частицах свет рассеивается во все стороны, что и регистрирует обычный оптический микроскоп.

Эффект бокового рассеивания Вы наверняка видели неоднократно.

На рисунке - рассеивание лучей света на капельках тумана.
 

В зависимости от конструкции, параметров частиц и среды можно обнаружить объекты размерами от 0,02 до 5 мкм.

Подсветить металлические частицы в воде возможно размером 0,002 мкм.

 (Пределы разрешения наиболее сильных оптических микроскопов составляют 0,2 мкм.)

Ультрамикроскопия - это частный случай метода темного поля в проходящем свете, при освещении направленном перпендикулярно направлению наблюдения.

  Ультрамикроскоп может применятся для всех случаях, когда важно число и движение частиц, а форма и их строение роли не играет.


Еще один микроскоп, работающий с высоким разрешением, и позволявшим наблюдать за живыми культурами клеток крови:

Соматоскоп Гастона Нессена

Этот прибор также, как микроскоп Райфа, работал за пределами видимого диапазона, чтобы увеличить разрешение. 

В приборе использована микроскопия темного поля.

Два источника излучения: лампа накаливания - с максимумом спектра на длине волны 330нм и газоразрядная - 155нм
 на монохромном фильтре формируют интерференционную волну более высокой частоты.

На выделенное излучение воздействует сильное магнитное поле, вызывающее расщепление спектра под действием эффекта Зеемана.

Далее стоит Устройство Керра? ( управление двойным лучепреломлением в электрическом поле с помощью анизотропии в бензоле. )

Полученное на выходе излучение, естественно, не видно нашим глазом, но используется для подсветки наблюдаемого образца.

Врач - гематолог решил  создать необычный микроскоп, потому что по его словам, в крови он видел какие-то мелкие объекты, рассмотреть которые не позволяли возможности световой техники. А электронные микроскопы не оставляют ничего живого при просмотре, поэтому увидеть процессы жизнедеятельности также не представляется возможным.

В то время, когда более столетия кровь окрашивают, чтобы получить контрастные снимки, видеокадры, полученные Нессеном выглядят очень интересно.

 Наблюдая за процессами в живой крови, Гастон Нессон обнаружил мельчайшие микроорганизмы - соматиды, способные менять свою форму от споры до крупного организма. (Плеоморфизм или полиморфизм) – способность микроорганизмов менять форму в зависимости от среды в которой они находятся.)

Первым, кто обнаружил это явление, был французский ученый Антуан Бешан (Pierre Jacques Antoine Béchamp, 1816-1908). Именно он показал теорию полиморфизма, противоречащую главенствующему в науке утверждением Луи Пастера о том, что болезнь приходит извне.


коментарии автора: 1 Непонятно, зачем этому аппарату эффект Керра?

Про современные оптические микроскопы, почитать здесь

2 Судя по записи, разрешение микроскопа не так уж и велико (приблизительно в 1.5 - 2 раза лучше оптического микроскопа). Обратите внимание на качество кадров, где окрашенные образцы демонстрируются вместе с подвижными.

3 Мелкие частицы, мечущиеся в результате Броуновского движения, никак нельзя ассоциировать с живыми организмами.

4 Способность микробов к полиморфизму только подтверждает факт о безграничности познания, и невозможности объяснить ничто в нашем мире в рамках единой теории  или тем более - догмы.

5 Теория полиморфизма тесно переплетается с теорией Винсента о зависимости состояния (здоровья) от кислотности внутренней среды организма.

   
ЗАКРЫТЬ
  
   
ЗАКРЫТЬ
 


Copyright © 2008- 2021  обновлено: 08.08.2021