POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTRUKCJA Z LABORATORIUM W ZAKŁADZIE BIOFIZYKI Ćwiczenie 4 POMIAR WIELKOŚCI KOMÓREK PRZY UŻYCIU MIKROSKOPU ŚWIETLNEGO
I. WSTĘP TEORETYCZNY Do obserwacji bardzo małych obiektów, np. komórek, tkanek zwierzęcych i roślinnych, wykorzystywane są przyrządy optyczne - mikroskopy. Technika mikroskopowa znalazła szerokie zastosowanie we wszystkich gałęziach nauki (geologia, metalurgia, chemia), a szczególnie w naukach biologicznych i medycznych. Dzięki zastosowaniu mikroskopów można określić morfologię komórek, ich strukturę wewnętrzną, a także obserwować procesy fizjologiczne (np. sposób rozmnażania, zdolność ruchu). Za pomocą mikroskopu otrzymywane są powiększenia od kilkudziesięciu do około dwu tysięcy razy. Oglądane obiekty są tak małych rozmiarów, że uginanie światła na ich krawędziach zaczyna odgrywać pewną rolę. Przy bardzo dużych powiększeniach szczegóły obserwowanych przedmiotów stają się coraz mniej wyraźne. Ważną wielkością charakteryzującą mikroskop i decydującą o jakości obrazu jest jego zdolność rozdzielcza najmniejsza odległość między dwoma punktami, które mikroskop pozwala jeszcze rozróżnić. Przy słabej zdolności rozdzielczej dwa punkty preparatu leżące blisko siebie widoczne są dla obserwatora jako jeden, a wraz z jej polepszeniem oddalenie obrazu tych punktów od siebie rośnie. Zdolność rozdzielcza mikroskopu opisuje wzór: λ d = 2 A gdzie: d zdolność rozdzielcza, λ - długość fali światła oświetlającego preparat, A apertura numeryczna obiektywu. Apertura numeryczna jest wielkością charakteryzującą obiektyw i jest zaznaczona na jego oprawie. Obiektywy o silnym powiększeniu mają wartość apertury numerycznej większą niż słabiej powiększające. Aperturę numeryczną opisuje wzór: A = n sinα 1
gdzie: n współczynnik załamania światła w środowisku między preparatem a obiektywem, α - kąt zawarty między skrajnym promieniem wchodzącym do obiektywu, a osią optyczną jego soczewek. Zdolność rozdzielczą mikroskopu można powiększyć stosując do oświetlenia preparatu promieniowanie o długości fali krótszej od światła białego lub przez zwiększenie apertury numerycznej. Zwiększenie apertury numerycznej obiektywu można osiągnąć przez wypełnienie przestrzeni między preparatem a obiektywem cieczą o współczynniku załamania światła większym od współczynnika załamania światła w powietrzu, np. olejkiem immersyjnym.. II. OPIS BUDOWY STANOWISKA Schemat budowy typowego mikroskopu przedstawia rysunek 1. 1 okular, 2 tubus, 3 oś optyczna,4 statyw, 5 głowica pryzmatowa, 6 tarcza obrotowa, 7 obiektyw, 8 zacisk sprężynowy do preparatów, 9 stolik, 10 kondensor, 11 oprawa aparatu świetlnego, 12 uchwyt przesłony, 13 oprawa do matówki, 14 - lusterko, 15 podstawa, 16 śruba mikrometryczna 17 śruba makrometryczna, 18 przesuw regulowany śrubą mikrometryczną Rys.1. Budowa mikroskopu Zasadnicze części mikroskopu to okular, obiektyw, tuba, statyw i stolik. Obiektyw będący bardzo skomplikowanym układem optycznym o małej ogniskowej, 2
przed ogniskiem którego umieszczamy obiekt obserwacji, ma za zadanie wytworzenie znacznie powiększonego, rzeczywistego obrazu (rys.2.) Rys.2. Zasada powstawania obrazu w mikroskopie świetlnym. Ok. okular, Ob. obiektyw, AB obserwowany przedmiot, A 1 B 1 powiększony, rzeczywisty i odwrócony obraz przedmiotu AB A 1B 1 obraz wytworzony przez układ optyczny, F ok ogniskowa okularu F ob ogniskowa obiektywu, CD długość tubusa, δ odległość dobrego widzenia, α 1 kąt pod jakim byłoby widać gołym okiem przedmiot AB z odległości dobrego widzenia, α 2 kąt pod jakim widać obraz A 1B 1 wytworzony przez układ optyczny. Okular jest umieszczony w takiej odległości l od obiektywu, aby wytworzony przez niego obraz przedmiotu znalazł się między ogniskiem F 2 a soczewką okularu, tuż przy jego ognisku. Okular działa zatem jak lupa, wytwarzając znacznie powiększony pozorny obraz przedmiotu, którym w tym przypadku jest obraz rzeczywisty wytworzony przez obiektyw. 3
III. PRZEBIEG ĆWICZENIA 1. Włączyć źródło światła. Umieścić w tubusie mikroskopu okular z powiększeniem 15 razy. 2. Położyć na stoliku mikroskopu szkiełko podstawowe z naniesioną skalą zasadniczą (1mm podzielony na 100 części) i używając obiektywu z powiększeniem 10 razy wyregulować mikroskop tak, aby uzyskać ostry obraz skali. Uwaga! Nie wolno opuszczać tubusu bez obserwowania go z boku, ponieważ grozi to zgnieceniem mikroskali i uszkodzeniem obiektywu. 3. Porównać liczbę podziałek a skali zasadniczej przypadającą na 100 podziałek skali okularu. Jeśli wystąpią różnice, korzystając ze wzoru wyznaczyć długość 1 podziałki okularu: 0,01 x = a, 100 gdzie: x długość jednej podziałki okularu [mm]. 4. Usunąć ze stolika mikroskopu szkiełko ze skalą zasadniczą i umieścić na nim preparat biologiczny. 5. Odczytać liczbę podziałek n skali okularu przypadającą na mierzony obiekt biologiczny, który znajduje się na szkiełku podstawowym. 6. Dokonać 100 pomiarów komórek 7. Wyniki pomiarów podać w tabeli. Nr pomiaru liczba podziałek rozmiar obiektu [mm] 1 2 3... 100 4
IV. SPRAWOZDANIE POWINNO ZAWIERAĆ 1. Krótki wstęp teoretyczny. 2. Cel przeprowadzonego ćwiczenia. 3. Omówienie wyznaczenia długość 1 podziałki okularu. 4. Objaśnienie symboli stosowanych w sprawozdaniu. 5. Tabelę z wartościami wielkości mierzonych. 6. Obliczenie odchylenia standardowego 7. Krzywą rozkładu Gaussa. 8. Dyskusję i wnioski. V. PYTANIA KONTROLNE 1. Omówić budowę mikroskopu. 2. Narysować powstawanie obrazu w mikroskopie. 3. Zdefiniować zdolność rozdzielczą mikroskopu. 4. Wyjaśnić związek pomiędzy zdolnością rozdzielczą mikroskopu, a zjawiskiem ugięcia światła. 5. Wymienić rodzaje mikroskopów - omówić elektronowy mikroskop skaningowy. LITERATURA 1. A. Zawadzki, H. Hofmokl: Laboratorium fizyczne; PWN, Warszawa 1984 2. H. Szydłowski: Pracownia fizyczna; PWN, Warszawa 1975 3. D. Halliday, R. Resnick: Fizyka 2; PWN, Warszawa 1989 4. Zbiór instrukcji : I pracownia fizyczna Instytutu Politechniki Łódzkiej; PŁ, Łódź 1993 5. Józef St. Szopa: Biologia i inżynieria komórki - laboratorium; PŁ, Łódź 1994 5