Разрешающая способность и увеличение

Разрешающей способностью (R) называют способность прибора отобразить раздельно два мелких максимально близко расположенных объекта. Чем значение разрешающей способности меньше, тем лучше, поскольку расположенные ближе предела разрешения объекты будут восприниматься как один объект. Разрешающая способность и увеличение – это не одно и то же. Как бы мы не увеличивали фотографию, мы никогда не сможем разглядеть на ней отдельные атомы. Возрастает увеличение, но разрешение остается на фотографии прежним. Мы увеличиваем фотографию, чтобы лучше видеть изображение, но если продолжать ее увеличивать, то в конце концов изображение распадется на ряд отдельных расплывающихся пятен.

Это просто понять, посмотрев на фотографии одного размера, «снятые» 3-ёх мегапиксельным и 10-ти мегапиксельным фотоаппаратами или, сравнив изображения клетки, полученные в световом и в электронном микроскопе при одном и том же увеличении. Хорошо видно, что два эти изображения весьма сильно различаются по своей детализации.

Фотографии одних и тех же растительных клеток, сделанные

А) высококачественным световым микроскопом

Б) электронным микроскопом

при одном и том же увеличении (около х2500).

Итак, перед микроскопической техникой стоит задача: минимизировать разрешение R, которое вычисляют по формуле: где:

α – угол, который зависит от выходного размера линзы объектива и фокусного расстояния до образца (угловая апертура).

Очевидно, что значение sin α должно быть максимальным, при этом оно не может быть более 1 (-1 ≤ sin α ≤ 1, sin 90° = 1).

В реальности, у лучших линз α ≈ 70° (sin α ≈ 0.94).

n - показатель преломления оптической среды, в которой находится линза. У воздуха n = 1. Значение n желательно увеличить. Для этого применяют иммерсионное масло (часто кедровое, имеющего n = 1,52 – 1,56), которое капают на предметное стекло, и опускают в него линзу специального масляно-иммерсионного объектива (не оставляя в зазоре воздушных пузырей!). Он имеет специфическую метку – черное кольцо, и не применим без иммерсии, поскольку при настройке резкости вы раздавите препарат.

λ - длина волны лучей, падающих на объект или испускаемых им (для флюоресцентной микроскопии). Значение λ желательно уменьшить. Самая короткая длина волны видимого спектра у синего света λ = 450нм. У фиолетового – λ = 400 – 433нм, но слишком малая воспринимаемая яркость.

Итак, из-за накладывающихся ограничений значений α, λ, и n, предел разрешающей способности идеального светового микроскопа:

В реальности, при освещении белым светом, высококачественные световые микроскопы имеют разрешение приблизительно R(min) = 200…300 нм.

В электронном микроскопе значение разрешающей способности намного меньше (более качественное), поскольку у электронов длина волны намного меньше, чем у видимого света. Предел разрешения в электронном микроскопе составляет на практике около 0,5 нм.

Это не значит, что электронный микроскоп лучше. Два эти микроскопа предназначены для разных целей. Световой микроскоп по-прежнему незаменим как прибор, позволяющий составить общее представление о клетках и тканях. К тому же и подготовить для него материал можно намного быстрее и проще. Он также позволяет наблюдать живые объекты, что совершенно невозможно сделать с помощью электронного микроскопа.