История развития микроскопии

     Министерство  образования и науки РФ

     ГОУ ВПО «Марийский Государственный  Университет»

     Кафедра экологии 
 
 
 
 
 

Реферат

на тему «История развития микроскопии» 
 
 
 
 

                                                   Выполнил:

                                                   студент БХФ группы БЭ-51

                                                   Булыги Д.В.

                                                   Проверила: к. п. н., доцент

                                                   Божьеволина И.М. 
 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 2010

     Содержание 

     Введение……………………………………………………………….………3

     1. История микроскопа…………………………………………………....….6

     2. Методы световой микроскопии……………………………………….…..9

     3. Методы микроскопического исследования металлов………….……….15

     4. Основные типы и конструктивные особенности металлографических микроскопов…………………………………………………………………..……..20 

      Введение 

     На  протяжении длительного времени  человек жил в окружении невидимых  существ, использовал продукты их жизнедеятельности (например, при выпечке хлеба из кислого теста, приготовлении вина и уксуса), страдал, когда эти существа являлись причинами болезней или портили запасы пищи, но не подозревал об их присутствии. Не подозревал потому, что не видел, а не видел потому, что размеры этих микро существ лежали много ниже того предела видимости, на который способен человеческий глаз. Известно, что человек с нормальным зрением на оптимальном расстоянии (25-30 см) может различить в виде точки предмет размером 0,07-0,08 мм. Меньшие объекты человек заметить не может. Это определяется особенностями строения его органа зрения.

     Приблизительно  в то же время, когда началось исследование космоса с помощью телескопов, были сделаны первые попытки раскрыть, с помощью линз тайны микромира. Так, при археологических раскопках  в Древнем Вавилоне находили двояковыпуклые линзы - самые простые оптические приборы. Линзы были изготовлены из отшлифованного горного хрусталя. Можно считать, что с их изобретением человек сделал первый шаг на пути в микромир.

     Простейший  способ увеличить изображение небольшого предмета - это наблюдать его с помощью лупы. Лупой называют собирающую линзу с малым фокусным расстоянием (как правило, не более 10 см), вставленную в рукоятку.

     Создатель телескопа Галилей в 1610 году обнаружил, что в сильно раздвинутом состоянии  его зрительная труба позволяет сильно увеличить мелкие предметы. Его можно считать изобретателем микроскопа, состоящего из положительной и отрицательной линз.

     Более совершенным инструментом для наблюдения микроскопических предметов является простой микроскоп. Когда появились эти приборы, в точности неизвестно. В самом начале XVII века несколько таких микроскопов изготовил очковый мастер Захария Янсен из Миддельбурга.

     В сочинении А. Кирхера, вышедшем в 1646 году, содержится описание простейшего  микроскопа, названного им "блошиным стеклом". Он состоял из лупы, вделанной в медную основу, на которой укрепляли предметный столик, служивший для помещения рассматриваемого объекта; внизу находилось плоское или вогнутое зеркало, отражающее солнечные лучи на предмет и таким образом освещающее его снизу. Лупу передвигали посредством винта к предметному столику, пока изображение не становилось отчетливым и ясным.

     Первые  выдающиеся открытия были сделаны как  раз с помощью простого микроскопа. В середине XVII века блестящих успехов добился голландский естествоиспытатель Антони Ван Левенгук. В течение многих лет Левенгук совершенствовался в изготовлении крохотных (иногда меньше 1 мм в диаметре) двояковыпуклых линзочек, которые он изготавливал из маленького стеклянного шарика, в свою очередь получавшегося в результате расплавления стеклянной палочки в пламени. Затем этот стеклянный шарик подвергался шлифовке на примитивном шлифовальном станке. На протяжении своей жизни Левенгук изготовил не менее 400 подобных микроскопов. Один из них, хранящийся в университетском музее в Утрехте, дает более чем 300-кратное увеличение, что для XVII века было огромным успехом.

     В начале XVII века появились сложные  микроскопы, составленные из двух линз. Изобретатель такого сложного микроскопа точно не известен, но многие факты говорят о том, что им был голландец Корнелий Дребель, живший в Лондоне и находившийся на службе у английского короля Иакова I. В сложном микроскопе было два стекла: одно - объектив - обращенное к предмету, другое - окуляр - обращенное к глазу наблюдателя. В первых микроскопах объективом служило двояковыпуклое стекло, дававшее действительное, увеличенное, но обратное изображение. Это изображение и рассматривалось при помощи окуляра, который играл, таким образом, роль лупы, но только лупа эта служила для увеличения не самого предмета, а его изображения. В 1663 году микроскоп Дребеля был усовершенствован английским физиком Робертом Гуком, который ввел в него третью линзу, получившую название коллектива. Этот тип микроскопа приобрел большую популярность, и большинство микроскопов конца XVII-первой половины VIII века строились по его схеме. 

      1. История микроскопа 

     Микроскоп - прибор для получения увеличенного изображения объектов или деталей  их структуры, не видимых невооруженным  глазом. Глаз способен различать детали объекта, отстоящие друг от друга не менее чем на 0,08 мм; с помощью светового микроскопа можно видеть детали, расстояние между которыми составляет до 0,2 мкм; электронный микроскоп позволяет получить разрешение до 0,1-0,01 нм. Способность систем из двух линз увеличивать изображение предметов была известна мастерам, изготовлявшим очки. О таких свойствах полушаровидных и плосковыпуклых линз знали оптики-ремесленники Нидерландов и Северной Италии в XVI в. Есть сведения, что приблизительно в 1590 г. прибор типа микроскопа был построен Янсеном (Z. Jansen) в Нидерландах.

     Сначала появились простые микроскопы, состоящие  из одного объектива, а затем были сконструированы более сложные, имеющие, кроме объектива, и окуляр.

     Быстрое распространение и совершенствование микроскопов началось после того, как Галилей (G. Galilei), совершенствуя сконструированную им зрительную трубу, стал использовать ее как своеобразный микроскоп (1609--1610), изменяя расстояние между объективом и окуляром.

     Позднее, в 1624 г., добившись изготовления более короткофокусных линз, Галилей значительно уменьшил габариты своего микроскопа.

     В 1625 г. членом Римской «Академии зорких» («Akudemia dei lincei») И. Фабером был предложен термин «микроскоп». Первые успехи, связанные с применением микроскопа в научных биологических исследованиях, были достигнуты Гуком (R. Hooke), который первым описал растительную клетку (около 1665 г.).

     А. Левенгук (A. van Leenwenhoek) с помощью микроскопа обнаружил и зарисовал сперматозоиды  различных простейших, детали строения костной ткани (1673-1677).

     В 1668 г. Е. Дивини, присоединив к окуляру  полевую линзу, создал окуляр современного типа; в 1673 г. Гавелий ввел микрометрический винт, а Гертель предложил под  столик микроскопа поместить зеркало. Таким образом, микроскоп стали монтировать из тех основных деталей, которые входят в состав современного биологического микроскопа.

     В начале XVIII в. микроскопы появились  в России; здесь Эйлер (Z. Euler) впервые  разработал методы расчета оптических узлов микроскопа.

     В XVIII и XIX вв. микроскопы продолжали совершенствоваться. В 1827 г. Амичи (G.В. Amici) впервые применил иммерсионный объектив.

     В конце XVII - начале XIX в. была предложена конструкция и дан расчет ахроматических объективов для микроскопов, благодаря чему их оптические качества значительно улучшились, а увеличение объектов, обеспечиваемое таким микроскопом, возросло с 500 до 1000 раз.

     В 1850 г. английский оптик Сорби (Н.С. Sorby) сконструировал первый микроскоп для  наблюдения объектов в поляризованном свете.

     В 1872--1873 гг. Аббе (Е. Abbe) разработал ставшую  классической теорию образования изображений  несамосветящихся объектов в микроскопе. Труды английского оптика Дж. Сиркса (1893) положили начало интерференционной  микроскопии.

     В 1903 г. Р. Жигмонди (R. Zsigmondy) и Зидентопф (Н. Siedentopf) создали ультрамикроскоп, в 1911 г. Саньяком (М. Sagnac) был описан первый двухлучевой интерференционный микроскоп, в 1935 г. Зернике (F. Zernicke) предложил использовать метод фазового контраста для наблюдения в микроскопах прозрачных, слабо рассеивающих свет объектов. В середине XX в. был изобретен электронный микроскоп, в 1953 г. финским физиологом Вильской (A. Wilska) был изобретен аноптральный микроскоп.

     Большой вклад в разработку проблем теоретической  и прикладной оптики, усовершенствование оптических систем микроскопа и микроскопической техники внесли М.В. Ломоносов, И.П. Кулибин, Л.И. Мандельштам, Д.С. Рождественский, А.А. Лебедев, С.И. Вавилов, В.П. Линник, Д.Д. Максутов и др. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2. Методы световой микроскопии 

     Принцип действия и устройство металлографического  микроскопа. Для изучения микроструктуры металлов используют металлографические микроскопы. Подготовленный соответствующим  образом шлиф / помещают перпендикулярно  оптической оси микроскопа в плоскости, совпадающей с передней главной фокальной плоскостью объектива 2. Шлиф освещается проходящим через объектив почти параллельным оптической оси пучком света, который формируется посредством осветительной системы, состоящей из источника (лампы) 3, коллекторной линзы 4, апертурной 5 и полевой 7 диафрагм, вспомогательных линз 6, 8 и полупрозрачной пластинки 9. Световые лучи, отражающиеся от участков поверхности шлифа, приблизительно нормальных оптической оси микроскопа, попадают в объектив, а те лучи, которые отражаются от неровностей поверхности, не попадают в его поле. На конечном изображении поверхности цы зерен, которые при подготовке шлифа обычно вытравливаются в канавки, или частицы выделений, включения и поры.

     Объектив  создает обратное действительное увеличенное изображение образца в передней фокальной плоскости окуляра S1. Окуляр дополнительно увеличивает это изображение и дает окончательное мнимое увеличенное изображение образца S2 на расстоянии ~250 мм от глаз наблюдателя 11.

     При фотографировании изображения или его наблюдении на экране вместо «глазных» окуляров используют специальные фотоокуляры (или гомали), которые принимают световые лучи, идущие непосредственно из объектива, и создают действительное первичное изображение на фотопластинке или экране.

     Увеличение  микроскопа равно произведению соответствующих  увеличений объектива и окуляра. Основное увеличение обеспечивается объективом, оно может достигать 100. Увеличение окуляра обычно не превышает 20. Если необходимо точно определить увеличение проецируемого изображения, то в качестве объекта следует использовать пластинку с микрометрической шкалой (объект-микрометр), на которой нанесены через каждые 0,01 мм деления на общей длине 1 мм.

     Разрешающая способность микроскопа характеризуется минимальным расстоянием d между двумя соседними деталями структуры объекта, которые еще могут быть раздельно различимы. Ограничения разрешающей способности оптических приборов связаны с дифракционными явлениями и аберрациями элементов оптических систем. Максимальная разрешающая способность микроскопа соответствует условию:

     d = dл/2nsinб = л/2А, (1)

     где л - длина волны света; п - показатель преломления среды между объектом и объективом (для воздуха п=1); б - угловая апертура объектива, равная половине угла, под которым виден зрачок объектива из точки предмета, лежащей на оптической оси.

     Величина  А = п sin б называется числовой апертурой  и является важнейшей характеристикой  объектива. Числовую апертуру объектива  можно увеличить, заполняя пространство между объективом и объектом (шлифом) иммерсионным маслом (обычно кедровым) с n=1,52. Для этой цели используют специальные иммерсионные объективы.

     Поскольку величина а практически не бывает больше ~72° и максимальное значение sinб ?0,95, максимальное значение числовой апертуры для «сухого» объектива составляет А = 1Ч0,95 = 0,95, а для иммерсионного объектива А = 1,52Ч0,95 = 1,44.

     Для освещения объекта наиболее часто  применяют белый свет, для которого можно принять л = 0,55 мкм. Согласно условию (1) максимальная разрешающая способность микроскопа равна: d 0,55ч2ч1,44 0,2 мкм.

     Чтобы использовать разрешающую способность  объектива, т. е. увидеть те детали структуры  объекта, которые разрешаются объективом, необходимо установить соответствующее  увеличение микроскопа. Увеличение микроскопа N называют полезным, если разрешаемые детали структуры можно наблюдать под углом зрения 2'-4'. Полезное увеличение находится в пределах N?500Aч1000A (2).

     Увеличение  меньше 500А не позволяет различить  все детали структуры, изображение которых формируется объективом при апертуре А, а применение увеличений, превышающих 1000А, нецелесообразно, поскольку оно не дает каких-либо новых деталей в изображении структуры, а лишь приводит к ухудшению качества изображения.

     При исследовании структуры металла объектив выбирают, исходя из необходимого полезного увеличения микроскопа, определяемого из выражения N=200/d' где d' - минимальный размер интересующих деталей структуры (например, частиц какой-либо фазы), мкм; 200 - разрешаемое расстояние для глаза наблюдателя, мкм.

     Зная  величину N, можно определить соответствующую  числовую апертуру по формуле (2) и выбрать  объектив, а затем окуляр.

     Следует учитывать, что в практике металлографических исследований иногда приходится в ущерб  разрешающей способности заботиться о повышении контрастности изображения и об увеличении глубины резкости, характеризуемой величиной вертикального смещения деталей микроструктуры, которое не приводит к потере фокусировки.

     Эта величина обратно пропорциональна  числовой апертуре и общему увеличению микроскопа, т.е. при более рельефной поверхности образца целесообразно использовать объективы с малой апертурой. Контрастность изображения растет до тех пор, пока общее увеличение микроскопа не превзойдет полезного увеличения. Поэтому увеличение окуляра не должно быть излишне высоким, так как это вызывает размытие изображения деталей структуры.

     Объектив  микроскопа состоит из нескольких линз, установленных коаксиально. Система  линз обеспечивает более или менее  полное устранение дефектов изображения (аберраций), к которым относятся хроматическая и сферическая аберрации, астигматизм, кома, кривизна изображения и дисторсия.

     Хроматическая аберрация обусловлена тем, что  при использовании немонохроматического света лучи с меньшей длиной волны  преломляются линзой сильнее, чем лучи с большей длиной волны; в результате возникают изображения разной величины, располагающиеся в различных плоскостях.

     Сферическая аберрация связана с различным  преломлением монохроматических лучей, проходящих через различные участки линзы. В случае световых пучков с довольно большим диаметром к сферической аберрации добавляются дефекты асимметрии (кома), в результате которых изображение отдельных деталей образца, располагающихся на некотором расстоянии от оси линзы, получается размытым. Вследствие астигматизма при прохождении через линзу пучка лучей от светящегося точечного источника, расположенного вне оптической оси, образуются две фокусные линии, находящиеся в разных плоскостях, а изображение точки в промежуточных плоскостях имеет форму круглого или эллиптического пятна рассеяния.

     Аберрация, называемая дисторсией, связана с  различным увеличением деталей  объекта, находящихся на разном расстоянии от оптической оси, так что изображения  прямых линий оказываются искривленными  и нарушается подобие в геометрической форме между предметом и его изображением. И наконец, возможно искривление изображения, при котором точечные изображения, возникающие от плоского объекта, перпендикулярного оптической оси, лежат не на плоскости, а на искривленной поверхности.

     В зависимости от степени исправления  аберраций и области спектра, в которой они работают, объективы  металломикроскопов делятся на ахроматы, апохроматы, планахроматы и планапохроматы.

     У ахроматических объективов исправлена сферическая аберрация, кома и хроматическая абберация для двух цветов, наиболее важных для визуального наблюдения; кривизна изображения не исправлена. Апохроматические объективы отличаются более высокой степенью исправления сферической аберрации и комы, а также обспечивают более правильную цветопередачу. В сочетании с компенсационными окулярами эти объективы дают высокое качество изображения и особенно подходят для больших увеличений и микрофотографирования. Планахроматы и планапохроматы скорректированы соответственно так же, как ахроматические и апохроматические объективы, и, кроме того, у них исправлена кривизна изображения.

     Окуляры микроскопов, как и объективы, характеризуются  собственным увеличением, а также  степенью коррекции изображения. Современные  металломикроскопы снабжаются окулярами с увеличениями от 5 до 20. По роду и степени коррекции различают следующие основные типы окуляров: 1) простые, или окуляры Гюйгенса, используемые обычно при визуальной работе с объективами-ахроматами с низкой или средней апертурой; 2) компенсационные окуляры, специально рассчитанные на исправление остаточных хроматических аберраций объективов-апохроматов и применяемые с этими объективами; 3) фотоокуляры и гомали, которые предназначены для микрофотографирования или проектирования изображения на экран.

     Для четкого наблюдения микроструктуры важно создать определенные условия  освещения шлифа. Контрастность  изображения возрастает с увеличением  интенсивности освещения. Поэтому  с учетом сложного пути луча в микроскопе и значительных потерь света применяемые источники света должны обладать достаточной мощностью при сравнительно малых габаритах. Для этих целей в современных металломикроскопах обычно используют кварцевые лампы с йодным циклом (галогенные лампы), а для получения наибольшей интенсивности - ксеноновые лампы высокого давления. Для уменьшения потерь интенсивности падающего света в некоторых микроскопах вместо полупрозрачной пластинки в ход лучей вводят призму.

     Увеличение  светопропускания и повышение контрастности  изображения достигаются также  в результате применения просветленной  оптики, обеспечивающей устранение рефлексов  при отражении. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3. Методы микроскопического исследования металлов 

     Большинство металлографических исследований проводят с применением светлопольного (вертикального) освещения. Для дополнительного  повышения контрастности применяют  другие виды освещения.

     Метод косого освещения. При этом методе в создании изображения участвуют преимущественно косые лучи, не параллельные оптической оси системы. Повышение контраста при косом освещении связано, во-первых, с увеличением роли дифрагированных на разных элементах структуры объекта лучей в формировании изображения и, во-вторых, с образованием теней от рельефа поверхности объекта. Поэтому косое освещение целесообразно применять при достаточно резком рельефе поверхности шлифа, так как только при этом условии выступающие участки будут отбрасывать тень на остальную поверхность, которая дает меньшее отражение лучей. Косое освещение достигается обычно включением между объективом и полупрозрачной пластинкой призмы косого освещения или смещением, по отношению к оптической оси системы апертурной диафрагмы, вращением которой изменяется плоскость падения света на объект.

     Метод темнопольного освещения. При темнопольном освещении в отличие от светлопольного свет не проходит через объектив. Пройдя через кольцевую диафрагму, свет отражается от кольцевого зеркала 2, установленного на месте полупрозрачной пластинки, и попадает на зеркальную отражающую параболическую поверхность специального конденсора темного поля 5, который устанавливается на объектив или монтируется в одной оправе с ним (эпиобъектив). Такая система создает косое освещение объекта, при котором освещающий пучок имеет большую апертуру, чем в случае светлопольного освещения. Темнопольное изображение является обратным по отношению к светлопольному (углубления и выступы становятся светлыми на однородном темном фоне), поскольку в объектив попадают лучи, отраженные неровностями поверхности. Этот тип освещения дает высококонтрастные изображения, четко выявляет зернистую структуру металла, границы между отдельными фазами, натуральный цвет неметаллических включений и дефекты на отполированной поверхности микрошлифа (царапины, поры, трещины).

     Исследование  в поляризованном свете. Поскольку  большинство металлов, а также  металлических и неметаллических  фаз являются оптически анизотропными, в металлографических исследованиях часто целесообразно использовать поляризованный свет. С этой целью перед коллекторной линзой помещают поляризатор (призму Николя или поляроид). Создающийся в поляризаторе плоскополяризованный свет после отражения от объекта проходит через анализатор, расположенный между объективом и окуляром или над окуляром. Если объект оптически изотропен, то при соответствующем взаимном положении поляризатора и анализатора («положение скрещения») можно добиться полного поглощения света. Однако если кристаллиты одной или разных фаз оптически анизотропны, то при скрещенных полярофильтрах полного поглощения не происходит и отдельные кристаллы оказываются светлыми, т. е. получается видимое контрастное изображение. Эта преимущественная освещенность отдельных кристаллов объясняется эффектами эллиптической поляризации и вращением плоскости поляризации.

     Структурные составляющие, которые имеют кубическую решетку, изотропны, поэтому их легко  отличить от других составляющих. С  помощью поляризованного света на нетравленых образцах анизотропных материалов можно изучать их микроструктуру и определять размер зерна. Этот метод позволяет также наблюдать интерметаллические фазы в легированных сталях. Но наиболее часто металлографическое исследование в поляризованном свете применяют для идентификации неметаллических включений в сталях, так как эти включения имеют характерные цвета или изменяют цвет при вращении предметного столика микроскопа. Для облегчения идентификации имеются специальные таблицы.

     Конструкция металломикроскопа, приспособленного для исследования в поляризованном свете, предусматривает включение и выключение полярофильтров и вращение анализатора в пределах 0-90°.

     Для изучения структуры металлов и природы  неметаллических включений в  поляризованном свете требуется высокое качество поверхности шлифа", отсутствие заметного рельефа и следов механической обработки.

     Метод фазового контраста. Контрастность  изображения рельефных структур может быть дополнительно повышена при использовании системы фазового контраста, имеющейся в некоторых металломикроскопах, или отдельной фазовоконтрастной приставки к микроскопу. Неровности поверхности шлифа создают разность фаз отраженных световых лучей, которая усиливается системой, состоящей из кольцевой диафрагмы 1 и фазовой пластинки 2. Кольцевую диафрагму устанавли вают так, что ее изображение располагается в задней фокальной плоскости объектива и совпадает с кольцом фазовой пластинки, толщина которого иная, чем у остальной части пластинки. В результате этого световые лучи, проходящие через кольцо, сдвигаются по фазе (обычно на 90°) относительно лучей, дифрагированных поверхностью образца и проходящих через пластинку за пределами кольца. Помимо этого, кольцо фазовой пластинки поглощает значительную часть проходящего через него света, что обеспечивает оптимальный контраст и резкость изображения. Для введения системы фазового контраста в оптическую систему микроскопа включается линза Бертрана, с помощью которой добиваются совмещения изображения апертурной диафрагмы с кольцом фазовой пластинки.

     С помощью фазовоконтрастного метода удается обнаружить разность в уровнях  рельефа поверхности до ~50. Этот метод  особенно полезно использовать для  изучения границ зерен, двойников, линий  скольжения и дисперсных выделений.

     Метод интерференционного контраста. Небольшие изменения микрорельефа поверхности можно обнаружить с помощью интерференционного микроскопа или микроинтерферометра. Последний прибор позволяет, кроме того, количественно оценивать изучаемый рельеф, что особенно важно для исследования структурного механизма пластической деформации. Используют методы двухлучевой и многолучевой интерферометрии. В первом случае (интерферометр Линника) свет от источника L расщепляется полупрозрачной пластинкой Т на два пучка. Один пучок, отраженный от пластинки Т, падает на исследуемую поверхность S1, а другой пучок, прошедший через пластинку T, освещает эталонную оптически плоскую поверхность зеркала S2. Лучи, отраженные от поверхностей S1 и S2 проходят через объективы 01 и 02 и образуют в плоскости S' накладывающиеся одно на другое изображения поверхностей S1 и S2.

     При наличии разности хода двух пучков должно возникать чередование максимумов и минимумов освещенности. Наблюдаемая  интерференционная картина позволяет  оценить глубину рельефа с точностью до 1/20 длины волны.

     При использовании многолучевой интерферометрии  образец помещают на эталонную поверхность  тщательно отполированной и посеребренной  стеклянной пластинки. Если осуществить  плотный контакт образца и  пластинки и осветить их монохроматическим световым пучком, то образуются очень тонкие интерференционные полосы. Чувствительность и точность метода увеличиваются в десятки раз и достигают 1/250 длины волны.

     Необходимо  учитывать, что применение методов  фазового и интерференционного контрастов требует особо тщательной подготовки микрошлифов. Шлифы должны иметь высококачественную гладкую полированную (реже слабо протравленную) поверхность, на которой отсутствуют заметный рельеф и поверхностный наклеп. Для удаления деформированного поверхностного слоя, особенно в случае легко наклёпывающихся сплавов, после механического полирования целесообразно применять окончательное слабое электролитическое полирование.

     В последних моделях металлографических микроскопов вместо описанных методов  фазового и интерференционного контраста используется система дифференциального интерференционного контраста (система Номарского), позволяющая получать цветные объемные изображения структурных составляющих, которые трудно выявить обычными методами, а также исследовать без травления микрошлифы различных материалов.