01
Світло, заломлене двічі
Перед вами світловий мікроскоп, такий, як у шкільних лабораторіях. Його називають складним мікроскопом, бо він збільшує у два етапи. Об’єктив, маленька лінза просто над предметним склом, створює збільшене зображення всередині тубуса. Окуляр, лінза, у яку ви дивитеся, збільшує це зображення ще раз. Ідея давня: 1665 року Роберт Гук роздивлявся корок крізь один із перших складних мікроскопів і назвав крихітні порожнини, які побачив, клітинами.
Світло йде вгору через середину приладу. Лампа в основі світить у конденсор, лінзу під предметним столиком, яка спрямовує світло на препарат на скляному предметному склі. Звідти світло потрапляє в об’єктив, піднімається тубусом і проходить крізь окуляр. Остання лінза на його шляху — у вашому власному оці, і вона фокусує світло на сітківці, у глибині ока. Кожна лінза заломлює світло, і разом вони перетворюють цятку, надто малу для неозброєного ока, на зображення, що заповнює все поле зору.
Модель показує мікроскоп у розрізі, щоб ви бачили скло всередині, і малює світло у вигляді променів. Вони виходять із двох точок препарату, однієї в центрі й однієї на краю, і тягнуться аж до ока. Справжнє світло долає цей шлях надто швидко, щоб за ним устежити, тож цикл пускає світловий імпульс уздовж шляху в уповільненому темпі. Шкала відраховує міліметри шляху від лампи.
Перетягуйте модель, щоб оглянути її з усіх боків, і прокручуйте над нею, щоб наблизити. Поки ви читаєте, камера рухається слідом за текстом. Увімкніть підписи, щоб побачити назву кожної деталі.
02
Що лінза робить зі світлом
У склі швидкість світла становить лише близько двох третин від його швидкості в повітрі. Коли промінь падає на скло навскіс, це сповільнення повертає його, і він входить у скло під крутішим кутом. Виходячи, він повертає назад, в інший бік. Таке відхилення називають заломленням. Наскільки речовина сповільнює світло, показує її показник заломлення. Для звичайного скла він становить близько 1,52.
Лінза — це шматок скла з вигнутими поверхнями. Збиральна лінза в середині товща, ніж на краю, тому вона відхиляє кожен промінь до середини. Промені, що приходять паралельно, сходяться в одній точці — фокусі. Відстань від лінзи до цієї точки — фокусна відстань, і коротка фокусна відстань означає лінзу, яка сильно заломлює світло. Навіть одна сильна лінза здатна на багато: крихітні однолінзові мікроскопи Антоні ван Левенгука збільшували приблизно до 270 разів.
Тепер поставте невеликий предмет трохи далі від лінзи, ніж її фокусна відстань. Промені від кожної точки предмета розходяться, проходять крізь лінзу й знову сходяться в одній точці з іншого боку. Усі ці точки утворюють дійсне зображення: промені справді сходяться там, і аркуш паперу в цьому місці показав би картинку. Воно перевернуте, бо промені від верхньої частини предмета перетинають центральну лінію лінзи й потрапляють донизу. Що ближче предмет до фокуса, то далі утворюється зображення і то воно більше.
Конденсор під предметним столиком має інше завдання. Він нічого не збільшує. Він збирає світло лампи й зосереджує його в конус, який рівномірно освітлює препарат. Його ірисова діафрагма, отвір, який можна розширити або звузити, задає ширину цього конуса. Нижче польова діафрагма обмежує світло ділянкою, яку ви бачите, і так зменшує розсіяне світло. Модель спрощує освітлення: конденсор фокусує лампу просто на препарат. 1893 року Август Келер із компанії Zeiss розробив кращу схему, яка дає рівне світло без зображення нитки розжарення лампи в полі зору.
03
Об’єктив створює дійсне зображення
Об’єктив — це маленька трубка з лінзами просто над предметним склом. Його фокусна відстань дуже коротка, а препарат лежить трохи далі від його фокуса. Тож, як і в попередньому розділі, зображення утворюється далеко з іншого боку й набагато більшим. У класичному мікроскопі тубус має довжину 160 мм, а зображення утворюється на 10 мм нижче від його верхнього краю, саме там, де стоїть окуляр. Багато новіших мікроскопів формують зображення другою лінзою в тубусі, але воно опиняється в тому самому місці.
Це проміжне зображення дійсне. Промені справді перетинаються там, тож воно висить у повітрі всередині тубуса. Воно перевернуте догори ногами, ліве в ньому стало правим, і воно збільшене в стільки разів, скільки вказано на об’єктиві: об’єктив 40× робить його в 40 разів ширшим за препарат. Окуляр дивиться на це зображення, а не на сам препарат. Спробуйте чотири об’єктиви.
На кожному об’єктиві є два числа — його збільшення і числова апертура: 4×/0,10, 10×/0,25, 40×/0,65 і 100×/1,25. Що сильніший об’єктив, то ближче до предметного скла він мусить підійти. Цей проміжок, робоча відстань, зменшується від приблизно 25 мм при 4× до приблизно 0,6 мм при 40× і лише 0,13 мм при 100×. Ділянка препарату, яку ви бачите, теж зменшується. Звичайний окуляр має польове число 20 мм — таку ширину має кругле віконце в ньому. Ділянка дорівнює цій ширині, поділеній на збільшення об’єктива: 5 мм при 4×, 2 мм при 10×, 0,5 мм при 40× і 0,2 мм при 100×.
Поверніть револьвер, і на місце стане наступний об’єктив. Об’єктиви парфокальні: кожен зроблено так, що препарат різкий на 45 мм нижче від його опорного краю, яким він пригвинчується. Тож коли ви їх перемикаєте, зображення залишається майже різким, і досить трохи покрутити гвинт точного фокусування. Об’єктив 100× — виняток. Йому потрібна крапля олії між передньою лінзою і предметним склом, а чому, пояснює передостанній розділ.
04
Окуляр і око
Окуляр — це лупа для проміжного зображення. Він стоїть так, що зображення лежить точно в його фокусі. Тоді промені від кожної точки зображення виходять з окуляра паралельно один одному, ніби йдуть від чогось дуже далекого. Тож ваше око може лишатися розслабленим, як тоді, коли ви дивитеся на далекий пагорб.
Те, що ви бачите, — це уявне зображення. Світло там не збирається. Це лише місце, звідки, здається, виходять промені, якщо простежити їх назад: величезна картинка десь дуже далеко. Модель малює ці продовження променів пунктиром. Окуляр збільшує в стільки разів, скільки дає 250 мм, поділені на його фокусну відстань. Ці 250 мм — найменша відстань, на яку може сфокусуватися середнє око, тобто найкращий огляд без жодних приладів. Тож окуляр 10× має фокусну відстань 25 мм. Спробуйте окуляри.
Остання лінза — ваша власна. Кришталик ока бере кожен паралельний пучок променів і фокусує його в точку на сітківці, світлочутливому шарі в глибині ока. Це остаточне зображення, і воно знову дійсне: промені справді сходяться там. Око треба тримати приблизно за 10 мм над окуляром. Для тих, хто носить окуляри, випускають моделі, у яких ця відстань становить 20–25 мм.
Два збільшення перемножуються. Об’єктив 10× з окуляром 10× дає 100×, об’єктив 40× — 400×, а об’єктив 100× з олією — 1000×. Звичайний окуляр — 10×, але поширені й 12,5× та 15×. Проте окуляр лише збільшує зображення, яке створив об’єктив. Він не може додати деталей, яких об’єктив не вловив. З об’єктивом 100× і окуляром 15× ви отримаєте 1500×, більше, ніж має сенс, як покаже наступний розділ.
05
Чому більше збільшення перестає допомагати
Світло — це хвиля, а хвилі розходяться, коли минають щось дуже мале. Тож кожна дрібна деталь препарату відхиляє трохи світла вбік, і що дрібніша деталь, то ширший кут. Щоб показати деталь, об’єктив мусить уловити це відхилене світло. Якщо світло минає лінзу, деталь ніколи не потрапляє в зображення, і жодне збільшення її не поверне.
Наскільки широкий конус світла може вловити об’єктив, показує його числова апертура, друге число на ньому. 1873 року Ернст Аббе показав, що саме вона задає межу. Сьогодні правило записують так: довжина хвилі світла, поділена на подвоєну числову апертуру. У зеленому світлі з довжиною хвилі 550 нм об’єктив 10× з апертурою 0,25 показує деталі приблизно до 1,1 мкм. Спробуйте повзунок: фіолетове світло показує дрібніші деталі, ніж червоне.
Повітря ставить апертурі стелю: сухий об’єктив досягає щонайбільше приблизно 0,95. Об’єктив 100× долає її завдяки краплі імерсійної олії. Олія має показник заломлення 1,515, майже як у скла, тож навіть найпохиліші промені переходять із тонкого покривного скельця в лінзу, не відхиляючись. Так апертура зростає до 1,25, а найкращі об’єктиви досягають 1,40. Найдрібніша деталь, яку може показати світловий мікроскоп, тоді становить приблизно 0,2–0,3 мкм.
Тож збільшення допомагає лише до певної межі. За практичним правилом корисне збільшення становить від 500 до 1000 числових апертур об’єктива, тобто приблизно до 1250× для об’єктива 100× з олією. Далі зображення росте, але нових деталей не з’являється. Це називають порожнім збільшенням. Саме тому більшість вірусів надто малі, щоб розрізнити їх у світловий мікроскоп: вони мають розмір від приблизно 20 нм до кількох сотень. Електронні мікроскопи працюють з електронами, хвилі яких набагато коротші, і зазвичай показують деталі близько 0,1 нм.
06
Фокус і світло
У мікроскопі на кшталт цього ви фокусуєте, рухаючи предметний столик, а не лінзи. Гвинт грубого фокусування рухає його швидко й далеко. Гвинт точного фокусування рухає його зовсім трохи: на 0,1–0,3 мм за оберт, або приблизно на 1–2,5 мкм за кожну поділку шкали. Ви підводите препарат на точно потрібну відстань під об’єктивом, ту, за якої проміжне зображення опиняється біля окуляра.
При сильному збільшенні різкий шар препарату дуже тонкий. Ця глибина різкості становить близько 8,5 мкм з об’єктивом 10× і лише близько 0,7 мкм з об’єктивом 100× з олією. Усе, що вище або нижче цього шару, розпливається. Спробуйте повзунок і подивіться, як зображення стає різким і знову розмитим, а потім змініть об’єктив і спробуйте ще раз.
Ірисова діафрагма конденсора теж змінює зображення. Закрийте її, і конус світла звузиться: зображення стане контрастнішим, а різкий шар — глибшим, але зникнуть найдрібніші деталі, бо світло вже не заповнює об’єктив. Відкрийте її широко — і отримаєте найдрібніші деталі, але з більшими відблисками й меншим контрастом. Виробники радять тримати її здебільшого відкритою.
Наостанок сюрприз: зображення рухається не в той бік. Зображення від об’єктива перевернуте догори ногами, ліве в ньому стало правим, і окуляр не повертає його назад. Тож коли ви посуваєте предметне скло праворуч, картинка їде ліворуч, а коли відсуваєте його від себе, картинка наближається до вас. Потрібно трохи практики.