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WISSENSCHAFTLICHES LABOR FÜR KINDER
Mikroskop aus einem Wassertropfen. Wissenschaftliches Kinderlabor
Verzeichnis / Wissenschaftliches Kinderlabor Sasha Putyatin, eine Siebtklässlerin, lebt in der Wissenschaftlerstadt Dubna in der Nähe von Moskau und interessiert sich sehr für Physik. Als er einmal in einem populärwissenschaftlichen Buch blätterte, stieß er auf ein merkwürdiges Bild. Darauf befanden sich einige Kugeln, und unten stand die Aufschrift: „Foto von Molekülen, aufgenommen mit einem Elektronenmikroskop.“ Als er im Geiste das Lehrbuch der Physik durchblätterte, stellte sich der Junge schnell ein anderes, bekanntes Bild vor: ein Stück Draht und darin bewegte Punkte mit einem Minuszeichen – Elektronen. Wie haben Sie es geschafft, mit Hilfe dieser Partikel ein Foto zu machen? Und Sascha rannte zur Klärung zu seinem Nachbarn im Treppenhaus, Andrei Gurjew. Andrei ist in der zehnten Klasse und bereitet sich auf den Eintritt in die Universität an der Fakultät für Physik vor. Es ist schwer, einen besseren Berater für Sasha zu finden ... - Interessieren Sie sich für das Elektronenmikroskop? - Andrey fragte noch einmal. - Wissen Sie, wie ein normaler funktioniert? - Warum ist es so schwierig? rief Sasha aus. - Du nimmst ein paar Linsen, steckst sie in den Tubus – hier ist ein Mikroskop für dich! Andreas lachte. - Wirklich, wie einfach! Mikroskop und Teleskop zugleich! Aber Spaß beiseite. Glaubst du, dass man aus einer Linse ein Mikroskop machen kann? - Nun, das weiß ich. Wenn es eine Linse gibt, wird ein solches Gerät als Lupe bezeichnet. - Rechts. Aber wussten Sie, dass der niederländische Biologe Anthony van Leeuwenhoek, der als Erster die Mikropopulation eines Teiches beobachtete, eine Lupe benutzte und dieses Gerät heute Leeuwenhoeks Mikroskop genannt wird? Darüber hinaus hatte es die gleiche Vergrößerung wie ein gewöhnliches modernes Mikroskop. - Es ist nicht klar, warum sie dann Mikroskope mit mehreren Linsen herstellen, wenn es ausreicht, nur eines zu haben? - Das ist eine sehr interessante Frage. Finden wir es heraus... Das menschliche Auge kann eine feine Struktur erkennen, wenn der Abstand zwischen zwei Elementen dieser Struktur größer als 0,08 mm ist. Aber das Leben wirft Probleme auf, bei denen es notwendig ist, Objekte mit einer viel feineren Struktur zu berücksichtigen. Hier kommen optische Instrumente zum Einsatz. Die mit einem einzelnen Objektiv erreichbare Vergrößerung wird als 250/f definiert, wobei f die Brennweite des Objektivs, gemessen in Millimetern, ist. Und die Brennweite der Linse kann durch die Formel f = r / (n-1) bestimmt werden, wobei r der Krümmungsradius der Linsenoberfläche ist (der Einfachheit halber gehen wir davon aus, dass die Linse die gleichen Radien hat). Krümmung für die vordere und hintere Hälfte), n ist der Brechungsindex des Materials, aus dem die Linse besteht. Besteht es beispielsweise aus gewöhnlichem Glas, dann ist n = 1,5, und dann liegen die Brennweite der Linse und der Krümmungsradius in der gleichen Größenordnung. Um also eine 100-fache Vergrößerung zu erreichen, benötigen Sie eine Glaskugel mit einem Durchmesser von 5 mm. Und damit das Bild nicht verzerrt wird, muss zwischen dem beobachteten Objekt und der Linse eine Blende platziert werden, deren Durchmesser etwa zehnmal kleiner ist als der Durchmesser der Kugel. Darüber hinaus muss die Blende möglichst nahe am Objektiv eingestellt werden. Wenn wir ein Zweilinsensystem mit gleicher Vergrößerung bauen wollen, dann können wir Objektive mit längerer Brennweite verwenden ... Wie wird ein solches Schema funktionieren? Sasha unterbrach seinen Freund ungeduldig. - So geht das. Ein durch die erste Linse (Objektiv) vergrößertes Objekt wird mit Hilfe einer weiteren Linse (Okular) wie durch eine Lupe betrachtet. Die Gesamtvergrößerung eines solchen Systems ist das Produkt aus Objektivvergrößerung und Okularvergrößerung - Das ist großartig! Wenn Sie also eine dritte Linse einsetzen, erhöht sich die Gesamtvergrößerung noch einmal! Was wäre, wenn der vierte... - Warte, Sasha, mit der dritten Linse wirst du keinen Erfolg haben. Und deshalb. Das durch die zweite Linse vergrößerte Bild befindet sich im besten Sehabstand vom Auge (der beste Sehabstand beträgt bekanntlich 250 mm). Und damit die dritte Linse, die Sie als Lupe verwenden, effektiv funktioniert, muss sich das betreffende Objekt in der Nähe seines Fokus befinden. Das bedeutet, dass die Brennweite des dritten Objektivs etwa 250 mm betragen sollte – dann beträgt die Vergrößerung jedoch 250/250=1... Das heißt, die dritte Linse funktioniert nicht. Aber das sollte uns nicht verunsichern. Schließlich kann die Vergrößerung eines Mikroskops immer noch nicht unbegrenzt sein. Und der Grund dafür ist keineswegs die Komplexität der Linsenherstellung. Sie und ich haben die Welleneigenschaften des Lichts völlig vergessen. Das Licht, das unser Objekt beleuchtet, hat eine genau definierte Wellenlänge. Um die Vergrößerung des Mikroskops noch weiter zu erhöhen, muss auf kurzwelligere Strahlung umgestellt werden. Natürlich wissen Sie, dass jedes materielle Teilchen sowohl Wellen- als auch Korpuskulareigenschaften hat. Ein Elektron ist sowohl ein Teilchen als auch eine Welle. Dies wird in dem Elektronenmikroskop verwendet, mit dem unser Gespräch begann. Schließlich ist die Wellenlänge eines Elektrons viel kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Und statt Glaslinsen gibt es in einem solchen Mikroskop elektromagnetische Linsen. Die Vergrößerung von Elektronenmikroskopen beträgt das Hunderttausendfache. Sie können sogar einzelne Moleküle und in manchen Fällen sogar Atome sehen! - Andrew, lass uns ein Elektronenmikroskop bauen! Sascha feuerte. - Nein, das können wir nicht. Aber wir können ein einfaches Lichtmikroskop bauen. - Aber wir haben keine Objektive mit kurzer Brennweite... Dazu müssen wir eine kleine Kugel aus einem Material herstellen, dessen Brechungsindex größer als der von Luft ist. Na ja, zum Beispiel ... aus dem Wasser! Nehmen Sie dazu einfach ein dünnes Blech und bohren Sie ein kleines Loch hinein. Die Kanten sollten mit Paraffin eingerieben werden. Wenn man nun Wasser auf das Loch tropft, entsteht eine kleine Kugel – schließlich benetzt Wasser das Paraffin nicht. Das ist das Objektiv, das wir brauchen. - Aber wäre ein solches Mikroskop nicht zu zierlich und skurril? Wahrscheinlich wird es nicht sehr bequem sein, daran zu arbeiten. - Aber unter Feldbedingungen kann man sich nichts Besseres als ihn vorstellen. Denken Sie darüber nach: Es ist nur eine Metallplatte mit einem Loch! Werden Löcher unterschiedlichen Durchmessers in die Platte gebohrt, können Mikroskope mit unterschiedlichen Vergrößerungen gebaut werden. Und wenn man zusätzlich noch eine gewöhnliche Lupe als Okular verwendet, erhält man ein Zweilinsensystem. - Kann man noch erreichen, dass das Objektiv haltbarer ist? - Wenn Sie darauf bestehen, machen wir es aus einem haltbareren Material. Zum Beispiel Glas... - Wie besteht es aus Glas? Sascha war überrascht. - Das ist zerbrechlich! Wie werden wir es verarbeiten? - Das Feuer wird das Glas für uns polieren. Wenn ein dünner Glasstab langsam in die Flamme eines Brenners abgesenkt wird, bildet sich am Ende des Stabes eine Kugel, da auf die Oberfläche jeder Flüssigkeit, auch flüssiges Glas, Oberflächenspannungskräfte wirken. Hier ist ein fertiges, langlebiges Objektiv für Sie! Ein so interessantes Gespräch fand zwischen zwei jungen Forschern statt. Vielleicht möchtet ihr die Empfehlungen von Andrey Guryev nutzen und euch ein solches Feldmikroskop bauen? Autoren: S.Valyansky, I.Nadosekina
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