显微镜知识简介
光学显微镜的分辨本领能否无限提高,为什么?
生物学实验室里的显微镜利用可见光工作,是一种光学显微镜.最好的光学显微镜能够分辨200nm大小的物体,可以看到最小的细菌.大多数的病毒比细菌小得多,光学显微镜就无能为力了,技术在不断发展,人们可以制造更为精良的光学显微镜,那么它的分辨能力能不能无限提高呢?不能.衍射现象限制了光学显微镜的分辨本领.
大家知道,波长越大,衍射现象越明显.嗓音的波长在1m左右,所以我们能够听到墙后面人们的谈话声,这是声音的衍射.可见光的波光为400nm~760nm,日常生活中的物体比可见光波大得多,光的衍射现象不明显,所以我们才说光沿直线传播.但是,显微镜的精确度很高,物镜的直径又不大,所以衍射现象不能忽略.由于衍射,被观察物体上的一个光点经透镜以后不再会聚成一个光点,而形成一个光斑,这样物体的像就模糊了,影响了显微镜的分辨本领.
为什么电子显微镜的分辨本领比光学显微镜大得多?
电子也是一种波,如果把电子加速,它的动量很大,它的德布罗意波长很短,通过计算在150V电压下给静止的电子加速,得到的电子射线的波长为1.0×10-10m.若电压再加大,可以得到更短波长的德布罗意波.这样衍射现象的影响就小得多了.从而就有可能大大提高分辨本领了.这种使用电子来工作的显微镜叫电子显微镜,肉眼不能看到电子束,可以让电子束打在荧光屏上来观察显微图象,不过通常的做法是用感光胶片代替荧光板,得到微小物体的显微照片.现代电子显微镜的分辨本领可达到0.2nm,能够看到蛋白质分子和金属的晶体结构.
从削弱衍射的影响这方面提高显微镜的分辨本领有哪两个途径?电子显微镜采用了哪个途径?如果显微镜用质子流而不是电子流工作,它们加速后的速度相同,哪种显微镜的分辨本领更高?
借助光学显微镜,人们能用肉眼直接看到细胞、细菌和其他微生物,分辨本领可达10-4mm左右.但不管放大倍数具体多大,比10-4mm还小的东西始终看不清了,这是因为在光学显微镜中,利用点光源发出的光波进入显微镜时,由于光的衍射,使成的像不是一个完全清晰的点,而是有一定大小的光斑.随着生产和科学技术的发展,人们对微观世界的探索要求越来越迫切,推动科学家发明了电子显微镜.这是受德布罗意物质波的启发而来的.
从波的角度看,波长越短,衍射现象越不明显,因此,要提高成像分辨率必须改用波长比可见光短得多的射线.根据德布罗意物质波长关系式λ=h/mv,可看出,要减小波长l有两个途径:一是增大粒子质量;二是增大粒子速度.
电子显微镜采用了增大粒子速度的办法.它通过对电子的加速来提高电子的动能,从而缩短电子的波长.若加速电子所用的高压为U,电子被加速到最大动能为eU,则由波长公式得λ=h/√2em0U,可见只要提高加速电压U就可以缩短电子射线的波长,所以也可以说电子显微镜是采用了提高加速电压的方法来提高显微镜的分辨本领的.
如果显微镜不用电子流而用质子流,若它们加速后的速度相同,但由于质子的质量比电子的质量大得多(电子的静止质量9.1×10-31kg,质子的静止质量1.7×10-27kg),由上式可看出也能使显微镜的分辨本领提高很多倍.