Сегодня мы поговорим об инструменте, который потребовался человеку по мере уменьшения исследуемых предметов, о том, как он менялся, а также о том, кто его создал и как этот инструмент изменился за годы и века своего существования
С годами развития науки и потребностей человека даже в повседневном быту появилась необходимость видеть мир не так, как люди привыкли за века наблюдений обычным взглядом. То, что далеко, захотелось приблизить, то что слишком мало – увеличить. Назрела потребность в новых инструментах. Но прежде чем продолжить, мы должны дать определение предмету нашего маленького исследования.
Что такое микроскоп
Микроскоп (др.-греч. μικρός «маленький» + σκοπέω «смотрю») — это прибор, предназначенный для обнаружения, наблюдения и получения увеличенных изображений и измерения объектов или деталей, невидимых или плохо видимых невооруженным глазом.
Виды микроскопов
Изменения конструкции и принципов работы микроскопа вызваны тем, что человечество проникает все дальше и дальше в микромир. Какие-то задачи стоят перед небольшим числом ученых, а какие-то вошли в сферу повседневности. Для задач разной степени сложности созданы различные виды микроскопов.
Оптический (световой) микроскоп
можно найти и в школьной лаборатории, и в медицинской, и на некоторых производствах. Принцип работы такого микроскопа известен несколько столетий, а вот конструкция подвергалась изменениям. Оптический микроскоп состоит из двух обязательных элементов: объектива и окуляра. Со временем потребовалось поместить их в подвижном тубусе, закрепленном на тяжелом металлическом штативе. С одной стороны тубуса расположен окуляр, с другой – объектив. Под объективом располагается предметный столик, на котором закрепляют рассматриваемый препарат. Если речь идет о биологических препаратах, то они расположены в жидкости чаще всего воде, между предметным и покровным стеклами. Предметное стекло можно осветить снизу через отверстие в предметном столике, покровное требуется с той же целью, что и маска ныряльщику: без нее вы увидите размытое изображение. Главным исследовательским инструментом при работе со световым микроскопом является… ваш собственный глаз. Необходимое для получения четкого изображения расстояние между лицами обеспечивается кремальерой – конструкцией для плавного и точного передвижения линз, состоящей из зубчатой пластинки с винтом.
Оптический микроскоп позволяет получать увеличение до 10 *10−9 м, увеличивает в 2000 раз. С 2008 года благодаря ряду изобретений и усовершенствований стало возможно наблюдать в оптический микроскоп объекты размером около 10 нм и получать отличные трехмерные изображения.
Стереомикроскоп
появился после того, как увеличение стали использовать не только для наблюдения, но и для проведения сложных работ и хирургических операций, требующих высокой точности. Как правило, увеличение стереомикроскопа не превышает десятков крат, предметный столик и системы подсвечивания нередко отсутствуют.
Электронный микроскоп
в отличие от оптического использует не потоки света, а пучки электронов, длина волны которых значительно меньше световой. Потому и увеличение электронного микроскопа превышает возможности светового приблизительно в 10000 раз. Для получения изображения используются не световые, а магнитные линзы, которые управляют движением электронов при помощи магнитного поля. Электронный микроскоп дает увеличение до 300 тысяч при разрешающей способности 0,5 нм – можно увидеть отдельные атомы.
Однако у электронных микроскопов есть и ряд существенных недостатков. Их нужно изолировать от воздействия внешних магнитных полей (в мире, пронизанном как естественными, так и искусственными магнитными полями – непростая задача). Для исследования образец должен быть помещен в вакуум, поскольку молекулы веществ, содержащихся в воздухе, рассеивают электронные пучки – те попросту натыкаются на них, как на препятствия. А в вакууме, например, выживет не всякий биологический препарат. Ну и настолько уменьшенная картинка требует абсолютной неподвижности – малейший сдвиг испортит все дело. Изображение будет только черно-белым. И все это не говоря о том, во сколько обойдётся его покупка и эксплуатация.
Цифровой микроскоп
соединил в себе принципы и преимущества светового микроскопа и современной электроники. Световая оптика выводит изображение через матрицу на монитор, имеет свой собственный источник света (обычно светодиодный). Обычно оснащены цифровыми фото- и видеокамерами.
Цифровые микроскопы производятся для самых разных целей во вполне доступных и крайне дорогих вариантах. У них обычно отсутствует окуляр, изображение выводится непосредственно на монитор любого размера. Однако окуляр при необходимости может быть добавлен, он используется для микрофотографии, измерения частиц, записи видео и обработке изображений. Стерео версия цифрового микроскопа позволяет получать изображение на монитор любого размера, и осуществлять куда более точные манипуляции в 3D пространстве. Количество моделей таких микроскопов очень велико, а программирование может существенно расширить их функциональные задачи и сферы применения.
Люминесцентный (флуоресцентный) микроскоп
позволяет получить наиболее контрастные и четкие изображения веществ, обладающих способностью излучать свет определенной длины волн под светом другой длины волн. Такая подсветка направлена со стороны объектива при помощи специального устройства через объектив микроскопа. Незаменимы в ряде биологических исследований.
Лазерный (сканирующий туннельный) микроскоп
и конфокальная микроскопия дают исследователям воистину уникальные возможности. Даже объяснение принципа работы этого устройства требует некоторых специальных знаний, но мы попробуем несколько упростить наш рассказ.
Лазер дает пучок света с очень высокой параллельностью, грубо говоря – «световую иглу», которая дает высочайшую контрастность и позволяет исследовать не только поверхность образца, но и его состояние на заданной глубине. Если добавить к флуоресцентному микроскопу лазер и создавать изображение из множества крошечных точек, можно сканировать объекты и получать их точнейшие изображения и 3D модели.
Кто и когда изобрел первый микроскоп
Считается, что первый микроскоп изобрел в 1674 году голландский исследователь-самоучка, торговец мануфактурой Антони ван Левенгук.
Такое мнение утвердилось потому что именно этому замечательному энтузиасту и преданному науке человеку первому удалось увидеть в прибор собственной конструкции простейшие микроорганизмы (в 1683 году). Его микроскоп представлял собой пластинку, в середине которой была вмонтирована линза, и сквозь препарат нужно было смотреть на лампу или на солнце для лучшего освещения. Из 25 сконструированных и собранных Левенгуком микроскопов сохранилось лишь 9. Именно Левенгук совершенно справедливо считается отцом современной научной микроскопии.
Первый микроскоп он… купил. Правда, это был не слишком сильный прибор, с его помощью текстильщики определяли качество материалов. Затем, прочитав несколько научных трудов и пособий по оптике, изготовил собственный. До сих пор неизвестно, изготавливал он линзы методом шлифовки или оплавления стеклянной нити и дополнительной полировки капель-шариков. Предполагают, что один из его микроскопов давал 500-кратное увеличение, но из сохранившихся до наших дней максимальное увеличение 275 крат. Однако хронология появления и развития микроскопов началась задолго до Левенгука.
История создания микроскопа
1267
Великий британский ученый и философ, монах Роджер Бэкон по прозвищу Doctor Mirabilis, что значит по латыни «чудесный учитель», писал своем трактате, охватывающем все существующие на тот момент науки в его части IV «О чудесных искусственных инструментах»:
«Очки могут быть сконструированы таким образом, что вещи, расположенные очень далеко, могут казаться очень близкими, и наоборот; так что с невероятного расстояния мы можем читать мельчайшие буквы, рассматривать вещи, сколь угодно малые».
1590
Ханс и Захарий Янсены, голландские изготовители и продавцы очков создают составной световой прибор для увеличения изображения.
1609
Галилео Галилей экспериментирует с оптикой и создает «оккьялино», или «глазик», с увеличением в 9 крат. В 1612 году дарит его королю Польши Сигизмунду III.
1619
Голландский ученый и конструктор Корнелиус Якобсон Дреббель презентует в Лондоне увеличительный прибор с двумя выпуклыми линзами.
1625
Друг Галилея Йоханнес Фабер предлагает название увеличительного прибора «микроскоп».
1664
Роберт Гук публикует трактат «Микрография», описывающий результаты наблюдений за малыми предметами при помощи линз. Вводит понятие «клетка», в английском cell – что означает «келья», растительные клетки показались ему похожими на кельи монахов. Книга вдохновила Антони ван Левенгука.
1674
Антони ван Левенгук впервые наблюдает бактерий и простейшие организмы при помощи микроскопа собственной конструкции..
1873
Эрнст Аббе разрабатывает теорию микроскопа для компании Карла Цейсса в Йене, Германия. Одно из его важнейших открытий – «число Аббе», или мера дисперсии света в прозрачных средах.
1931
Немец Эрнст Руска приступает к разработке первого электронного микроскопа и созданию теории электронной оптики. За эту работу он будет удостоен Нобелевской премии в возрасте 80 лет, в 1986 году.
1936
Эрвин Вильгельм Мюллер строит первый полевой эмиссионный микроскоп и первым в истории человечества наблюдает атомы.
1986
Герд Бинниг и Генрих Рорер создают сканирующий атомно-силовой микроскоп.
1986
В Японии выпускается первый цифровой микроскоп.
1988
Японский конструктор Кинго Итая создает первый сканирующий туннельный микроскоп.
1991
Разрабатывается принцип кельвин-зондового силового микроскопа – бесконтактный вариант атомно-силового микроскопа.
Читайте также историю создания и прогресса телевидения:
Edal Anton Lefterov (cc.by-sa), Dolbunov (cc.by-sa), whitesmoke1981(flickr.com), editor 4tamilmedia (flickr.com), Marek Slusarczyk (cc.by-sa), Игорь Арьков (CC0), Ян Верколье, John Oliver (flickr.com), Юстус Сустерманс, Мэри Бил