Есть ли предел увеличению, которое можно получать с помощью микроскопа и телескопа? Иными словами, можно ли видеть в микроскоп форму и строение любых ничтожно малых предметов, и может ли телескоп настолько увеличить видимые размеры небесных тел, что станут различимы все подробности их строения?
Эти вопросы естественно возникают у каждого, кто знакомится с действием микроскопа и телескопа. На первый взгляд может показаться, что увеличение микроскопа и телескопа можно повышать безгранично одним очень простым приёмом. Возьмём микроскоп. Увеличение микроскопа складывается из двух частей: увеличения, даваемого объективом, и увеличения окуляра. Если этого общего увеличения окажется недостаточно, то можно, как будто, повысить его следующим образом: вынуть окуляр и рассматривать даваемое объективом действительное изображение через второй микроскоп. Если этого будет мало, можно присоединить подобным же образом третий микроскоп и т. д. Но позволит ли такой прибор, состоящий из цепочки линз, увидеть форму и строение любого предмета, как бы мал он ни был? Действительно ли можно безгранично повышать увеличение микроскопа и телескопа таким приёмом? Нет. Никакой пользы от него не будет. И дело вовсе не в количестве линз микроскопа и телескопа, а в некоторых свойствах света.
Чтобы лучше понять эти свойства света, вспомним волны, бегущие по поверхности воды. Вот на пути волн стоит выступающий из воды камень. Этот камень гораздо больше, чем длина волны, то есть чем расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами волны. Что происходит при этом с волнами? Камень разбивает их, и позади камня вода остаётся спокойной.
Но вот у берега волны встречают тонкий камыш, толщина стебля которого значительно меньше длины волны. Волны огибают его и продолжают свой путь так, как будто никакого препятствия они не встретили! Такое огибание волнами препятствий называется дифракцией.
Распространение света - это также движение особого вида волн. Длина видимых световых волн очень мала. Самая длинная волна - волна красного цвета - имеет длину всего около 7 десятитысячных долей миллиметра. В одном сантиметре может уложиться около четырнадцати тысяч таких волн! Самые короткие волны - волны фиолетового цвета; они почти вдвое короче волн красного цвета. Их длина - 4 десятитысячные доли миллиметра. Световым волнам также присуща дифракция. В этом можно убедиться на ряде опытов.
Пропустим свет через очень малое отверстие, проделанное в непрозрачной пластинке. Тогда можно видеть, что пространство за пластинкой будет освещено не только непосредственно за отверстием, то есть там, куда свет должен попасть, следуя прямолинейно, но также и в других местах. Значит, свет в этом случае уклоняется от прямого пути, дифрагирует. Ещё более неожиданное и необъяснимое на первый взгляд явление наблюдается в следующем опыте. Поместим между источником света и экраном небольшой непрозрачный диск. Казалось бы, что диск должен отбросить на экран тень, причём наиболее тёмное место тени должно быть в её средней части. Однако при определённых условиях опыта в центре тени появляется светлое пятнышко. Причиной появления этого светлого пятнышка также является дифракция света.
Каким же образом сказывается дифракция света на действии микроскопа и телескопа?
Обратимся сначала к телескопу. Пусть объектив телескопа направлен на две звезды, видимые с Земли под очень малым углом зрения. Смотря на эти звёзды невооружённым глазом, мы не можем видеть их раздельно и принимаем две рассматриваемые звезды за одну. Задача телескопа состоит в этом случае в том, чтобы «различить» звёзды, то есть сделать их раздельно видимыми.
Принцип действия телескопа вам известен. Объектив телескопа даёт в плоскости, проходящей через его фокус, действительное изображение звёзд. Будет ли невооружённый глаз видеть изображение каждой из звёзд раздельно или нет, зависит от того, на каком расстоянии одно от другого получаются изображения. Если промежуток между изображениями будет больше 2,5 десятых долей миллиметра, то этот промежуток будет виден с расстояния 25 сантиметров под углом зрения больше 2,5 минуты. Следовательно, в этом случае глаз и без помощи окуляра может увидеть звёзды раздельно. Если же расстояние между изображениями будет меньше 2,5 десятых долей миллиметра, то для раздельного наблюдения звёзд потребуется окуляр. Но и в том и в другом случаях принципиальных трудностей для раздельного наблюдения звёзд как будто не имеется.
В действительности дело обстоит иначе: такие трудности есть и вызываются они дифракцией света. До сих пор мы в наших рассуждениях полагали, что изображение звезды, даваемое объективом телескопа, есть точка. На самом же деле из-за дифракции света у границ отверстия объектива изображение звезды, даваемое даже самым лучшим, не имеющим никаких аберраций объективом,- не точка, а светлый кружок, окружённый кольцами, попеременно тёмными и светлыми. Освещённость колец значительно меньше освещённости центрального кружка и убывает с увеличением поперечника колец. Две звезды дадут изображение, состоящее из двух кружков и двух систем тёмных и светлых колец. Угол зрения между звёздами мал. Поэтому расстояние между центрами первого и второго кружков будет невелико по сравнению с поперечником кружков и может случиться так, что кружки настолько наложатся один на другой, что нельзя будет сказать, видит ли глаз только один кружок или два, наложенные один на другой. В этом случае видеть с помощью телескопа звёзды раздельно не удастся.
Но если угол зрения между звёздами будет больше, так что между центрами дифракционных кружков окажется достаточно большой промежуток, то глаз сможет увидеть звёзды раздельно. Чем больше поперечник объектива, тем, при данном его фокусном расстоянии, меньше поперечник каждого дифракционного кружка. Наоборот, уменьшение поперечника объектива приводит к увеличению поперечника дифракционных кружков.
Зрачок глаза также представляет собой отверстие, ограничивающее движение световых волн, а потому и он вызывает дифракцию света. Поперечник зрачка очень мал, но мало и фокусное расстояние глаза. Вследствие этого в глазу дифракционный кружок имеет небольшой поперечник, но большой, по сравнению с дифракционным кружком в телескопе, угловой размер. Поэтому невооружённый глаз не может разделить двойной звезды, которую легко разделяет телескоп, при пользовании которым дифракция у краёв зрачка исключается, а остаётся только дифракция у краёв объектива.
Возникает вопрос: а нельзя ли избавиться от помех, вносимых дифракцией, путём увеличения фокусного расстояния объектива телескопа? Ведь при увеличении фокусного расстояния объектива возрастает расстояние между центрами кружков. Кружки должны раздвинуться, и звёзды можно будет наблюдать раздельно. Нет. Этот путь непригоден и вот почему. При увеличении фокусного расстояния объектива расстояние между кружками действительно возрастёт, но вместе с этим возрастёт, во столько же раз и поперечник кружков. Никакого выигрыша в отношении возможности раздельного наблюдения звёзд этот путь, следовательно, не даёт.
Никакой пользы не получится также и от применения окуляра. Окуляр лишь увеличит видимые размеры кружков. Единственный способ, позволяющий сделать звёзды раздельно видимыми, состоит в увеличении поперечника объектива телескопа. При увеличении поперечника объектива поперечник кружков уменьшается, а расстояние между кружками остаётся неизменным. Кружки начинают разделяться, и наблюдатель различает, что имеются две звезды. В этом случае, как говорят оптики, объектив телескопа разрешает две звезды.
Возможность видеть с помощью телескопа две близкие звезды раздельно определяется таким образом в первую очередь поперечником объектива телескопа. Чем больше поперечник объектива, тем меньше может быть угол зрения между двумя звёздами, которые телескоп позволяет видеть раздельно, и наоборот, телескоп, имеющий объектив с небольшим поперечником, позволяет видеть раздельно лишь те звёзды, угол зрения между которыми сравнительно велик. Тот минимальный угол зрения между двумя звёздами, при котором звёзды могут быть видны в данный телескоп ещё раздельно, называется разрешаемым углом телескопа.
Величина разрешаемого угла для больших современных телескопов очень мала, то есть эти телескопы позволяют наблюдать раздельно две звезды, расположенные под очень малым углом зрения. Для наибольшего из современных телескопов, имеющего в качестве объектива зеркало поперечником 5 метров, величина разрешаемого угла равна всего лишь двадцати пяти тысячным долям секунды. Для невооружённого глаза разрешаемый угол между звёздами не менее 2,5 минут, то есть величина приблизительно в 6000 раз большая. Практически же, однако, величина разрешаемого угла пятиметрового телескопа, а также и всех других телескопов, оказывается по ряду причин значительно больше теоретически возможной. Одной из таких причин, наиболее существенной, являются помехи, вносимые атмосферой Земли. Об этом мы подробнее расскажем дальше.
Сейчас же ещё раз вернёмся к рассмотрению вопроса о той роли, которую играет в телескопе окуляр, и рассмотрим действие окуляра телескопа уже с несколько иной точки зрения, учитывая те особенности, которые вносит в действие телескопа дифракция света.
Мы уже ознакомились с теми особенностями, которые вносит дифракция света в изображение, даваемое объективом телескопа, и знаем, что из-за дифракции изображение звезды является не точкой, а кружком, поперечник которого определяется поперечником объектива. Две звезды дают изображение, состоящее из двух кружков, которые в некоторых случаях могут настолько наложиться один на другой, что видеть кружки раздельно даже и с помощью окуляра не удастся. Звёзды, дающие такое изображение, видеть раздельно нельзя.
В связи с этим возникает вопрос: какую же роль играет в таком случае окуляр, нужен ли он вообще?
Да, окуляр нужен и вот для чего. Пусть объектив телескопа направлен на две звезды, угол зрения между которыми равен разрешаемому углу телескопа. Объектив телескопа разрешает эти звёзды, то есть даёт такое изображение, при рассмотрении которого можно сказать, что оно создано двумя звёздами. В этом случае звёзды могут быть видны раздельно. Может, однако, быть и такой случай, когда видеть звёзды раздельно, несмотря на то, что они разрешаются объективом телескопа, не удастся. Это будет тогда, когда расстояние между центрами кружков, а значит, и между звёздами, будет видно глазу под углом зрения меньше 2,5 минуты. В этом случае раздельное наблюдение звёзд будет невозможно, но уже не вследствие дифракционных явлений, а вследствие известных вам особенностей глаза - неспособности глаза видеть раздельно две точки, угол зрения между которыми меньше, примерно, 2,5 минуты. Вот в этом-то случае и требуется применение окуляра.
Рассматривая изображение, даваемое объективом телескопа, с помощью окуляра, можно увеличить угол зрения по сравнению с тем, который даёт невооружённый глаз. При увеличении угла зрения приблизительно до 2,5 минуты можно будет наблюдать звёзды раздельно. Использовать окуляры с еще большим увеличением, иначе говоря, раздвигать изображения звёзд еще больше не имеет смысла. Никаких новых сведений о рассматриваемых звёздах мы при больших увеличениях не получим. Этому будут препятствовать дифракционные явления. Больше того: большие увеличения могут принести даже и вред, так как при больших увеличениях глаз будет видеть те особенности изображения, которые вызываются дифракцией света и никакого прямого отношения к самим звёздам на имеют. Могут создаться ложные представления о рассматриваемом объекте.
Значит, для каждого телескопа существует своё, вполне определённое максимальное увеличение. Это максимальное увеличение должно быть таким, чтобы, смотря в телескоп на две звезды, расположенные под углом зрения, равным разрешаемому углу, глаз как раз видел эти звёзды раздельно. Такое увеличение называют полезным увеличением. Величина полезного увеличения тем больше, чем больше поперечник объектива телескопа.
Полезное увеличение наибольшего из современных телескопов равно приблизительно 6000 раз. Однако, как мы уже говорили, пользоваться столь большим увеличением на практике по ряду причин не удаётся. Одной из таких причин, наиболее существенной, являются помехи, вносимые атмосферой Земли. Идущие от далёкой звезды лучи света, прежде чем попасть на объектив телескопа, проходят через слой окружающего Землю воздуха. Плотность воздуха в различных частях слоя различна и быстро меняется во времени, вследствие чего правильность хода лучей нарушается. Это приводит к искажению изображения, даваемого объективом телескопа, что в свою очередь увеличивает величину разрешаемого угла и значительно снижает полезное увеличение телескопа. Для уменьшения помех, вносимых в наблюдения атмосферными явлениями, установка телескопов производится, как правило, в горных местностях.
Те же затруднения, которые вызывает дифракция света при наблюдении двух звёзд, имеются и в том случае, когда в телескоп наблюдается небесное тело, видимое с Земли под сравнительно большим углом зрения, например планета. Изображение этого небесного тела, даваемое объективом телескопа, будет состоять из множества дифракционных кружков. Кружки накладываются один на другой, в результате чего даваемое объективом изображение не передаёт всех деталей строения небесного тела. Раздельно изображаются лишь те участки небесного тела, расстояние между которыми настолько велико, что они расположены под углом зрения большим, чем разрешаемый угол телескопа. Более мелких деталей глаз увидеть не сможет, ибо дифракционные кружки, соответствующие этим деталям, настолько налагаются один на другой, что раздельно видеть их нельзя. Ни формы, ни строения тех участков небесного тела, которые расположены под углом зрения, меньшим разрешаемого угла телескопа, видеть в телескоп нельзя. Каждый из таких участков будет виден как точка.
Применение окуляров, дающих увеличение больше полезного, и в этом случае также, конечно, ничего не даст. Никаких новых деталей в строении небесного тела глаз при больших увеличениях всё равно не увидит, станут различными лишь те детали изображения, которые вызываются дифракционными явлениями. Эти же детали никакого прямого отношения к наблюдаемому небесному телу не имеют и могут лишь запутать наблюдателя.
Таким образом, мы приходим к выводу о том, что повышать увеличение телескопа безгранично не имеет никакого смысла. Никаких новых сведений о строении небесного тела в этом случае получить невозможно. Имеет смысл повышать только полезное увеличение телескопа, для чего необходимо увеличивать поперечник объектива телескопа. Только тогда телескоп позволит открыть новые, неизвестные ранее детали строения далёких небесных тел.
Как мы уже неоднократно говорили, самый большой из ныне существующих телескопов имеет в качестве объектива зеркало поперечником 5 метров. Это, конечно, не предел. В будущем будут построены ещё большие телескопы, которые откроют много новых тайн Вселенной.
Переходим теперь к вопросу о влиянии дифракции света на действие микроскопа. Рассматривать этот вопрос столь же подробно, как это делалось по отношению к телескопу, мы не будем. Приведём лишь основные результаты, которые позволят уяснить главные, наиболее существенные черты этого вопроса.
Последовательное и детальное изучение влияния дифракции на видимость в микроскоп малых предметов показывает, что вследствие дифракционных явлений видеть форму и строение любых, сколь угодно малых предметов с помощью микроскопа нельзя.
Рассматривая, например, с помощью микроскопа два очень малых предмета, мы можем видеть их раздельно только в том случае, если расстояние между предметами будет примерно равно половине длины световой волны или будет больше этой величины. Два различных предмета или два участка одного и того же предмета, расположенные один от другого на расстоянии, меньшем половины длины световой волны, глаз раздельно уже не увидит. А это значит, что ни форму, ни строение тех деталей предмета, размеры которых меньше половины длины световой волны, видеть в микроскоп нельзя. Эти детали будут видны глазу точками. И причина этого заключается по-прежнему в дифракции света.
То наименьшее расстояние между двумя предметами или двумя участками одного предмета, которые ещё видны в микроскоп раздельно, называется разрешаемым расстоянием микроскопа. Величина разрешаемого расстояния определяется, как мы уже сказали, длиной световой волны и будет тем меньше, чем меньше длина волны. Для наиболее коротких волн видимого света - фиолетовых - величина разрешаемого расстояния равна примерно двум десятитысячным долям миллиметра. Следовательно, производя освещение исследуемого предмета фиолетовым светом, мы можем видеть в микроскоп раздельно те детали предмета, расстояние между которыми будет не меньше двух десятитысячных долей миллиметра. Детали, расположенные на более близком расстоянии, раздельно видны не будут.
Из всего сказанного становится ясно, что безгранично повышать увеличение микроскопа не имеет никакого смысла, как не имеет никакого смысла повышать безгранично к увеличение телескопа. Для микроскопа, как и для телескопа, существует (предельное) полезное увеличение.
Величину полезного увеличения микроскопа можно определить следующим образом. Пусть освещение рассматриваемого предмета производится фиолетовым светом. В этом случае разрешаемое расстояние микроскопа равно двум десятитысячным долям миллиметра. Невооружённый глаз может видеть раздельно два протяжённых предмета, находящихся один от другого на расстоянии одной десятой доли миллиметра. Это расстояние в 500 раз больше разрешаемого. Следовательно, для того чтобы глаз мог видеть раздельно детали предмета, находящиеся на разрешаемом расстоянии, необходимо увеличить угол зрения между этими деталями предмета в 500 раз. Это и есть полезное увеличение микроскопа, работающего в лучах фиолетового света.
На практике бывает целесообразно пользоваться в некоторых случаях и большими увеличениями, доходящими иногда до 1000 раз. Применение увеличений, больших полезного, имеет тот смысл, что оно позволяет глазу работать с меньшим напряжением. Но, конечно, никаких новых деталей предмета глаз при увеличениях, больших полезного, не увидит. Применение увеличений, больших 1000, вообще бесполезно и даже вредно. При столь больших увеличениях ясно выступают дифракционные явления, которые затрудняют наблюдения и могут привести к ошибочным заключениям о строении рассматриваемого предмета.
Возникает вопрос: можно ли повысить полезное увеличение микроскопа, то есть существует ли возможность наблюдать в микроскоп раздельно детали предмета, расположенные одна от другой на расстоянии, меньшем двух десятитысячных долей миллиметра? Такая возможность в принципе есть; для этого необходимо использовать свет с длиной волны, меньшей, чем длины волн видимого света. Мы уже говорили о микроскопе Брумберга. В нём используется ультрафиолетовый свет с длиной волны почти в два раза меньшей, чем длина волны фиолетового света. Поэтому разрешаемое расстояние для микроскопа Брумберга почти в два раза меньше разрешаемого расстояния микроскопа, работающего в фиолетовом свете. Полезное увеличение микроскопа Брумберга равно почти 1000 раз. Однако применение ультрафиолетового света с ещё меньшей длиной волны уже невозможно, ибо большинство объектов, наблюдаемых в микроскоп, сильно поглощает короткий ультрафиолетовый свет.
Несколько другой способ наблюдения мелких частиц, чем в обычном микроскопе, применяется в другом приборе, называемом ультрамикроскопом. Рассматриваемые в ультрамикроскоп частицы освещаются сильным боковым светом. Наблюдатель видит в окуляр яркие точки на фоне тёмного поля и обнаруживает, таким образом, присутствие частиц, размеры которых могут доходить всего лишь до пяти миллионных долей миллиметра. Однако получить представление о форме и строении частиц с помощью ультрамикроскопа нельзя.
В 1932 году был изобретён новый прибор, который позволил уже увидеть форму и строение этих частиц. Называется этот прибор электронным микроскопом.
Изобретение электронного микроскопа явилось одним из крупнейших достижений современной науки. Оно позволило человеку ещё дальше проникнуть в мир малых предметов и ещё полнее и глубже познать окружающую его природу.
Популярные статьи сайта из раздела «Сны и магия»
.
Магия приворота
Приворот является магическим воздействием на человека помимо его воли. Принято различать два вида приворота – любовный и сексуальный. Чем же они отличаются между собой?
По данным статистики, наши соотечественницы ежегодно тратят баснословные суммы денег на экстрасенсов, гадалок. Воистину, вера в силу слова огромна. Но оправдана ли она?
Порча насылается на человека намеренно, при этом считается, что она действует на биоэнергетику жертвы. Наиболее уязвимыми являются дети, беременные и кормящие женщины.
Испокон веков люди пытались приворожить любимого человека и делали это с помощью магии. Существуют готовые рецепты приворотов, но надежнее обратиться к магу.
Достаточно ясные образы из сна производят неизгладимое впечатление на проснувшегося человека. Если через какое-то время события во сне воплощаются наяву, то люди убеждаются в том, что данный сон был вещим. Вещие сны отличаются от обычных тем, что они, за редким исключением, имеют прямое значение. Вещий сон всегда яркий, запоминающийся...
Существует стойкое убеждение, что сны про умерших людей не относятся к жанру ужасов, а, напротив, часто являются вещими снами. Так, например, стоит прислушиваться к словам покойников, потому что все они как правило являются прямыми и правдивыми, в отличие от иносказаний, которые произносят другие персонажи наших сновидений...
Если приснился какой-то плохой сон, то он запоминается почти всем и не выходит из головы длительное время. Часто человека пугает даже не столько само содержимое сновидения, а его последствия, ведь большинство из нас верит, что сны мы видим совсем не напрасно. Как выяснили ученые, плохой сон чаще всего снится человеку уже под самое утро...
Согласно Миллеру, сны, в которых снятся кошки – знак, предвещающий неудачу. Кроме случаев, когда кошку удается убить или прогнать. Если кошка нападает на сновидца, то это означает...
Как правило, змеи – это всегда что-то нехорошее, это предвестники будущих неприятностей. Если снятся змеи, которые активно шевелятся и извиваются, то говорят о том, что ...
Снятся деньги обычно к хлопотам, связанным с самыми разными сферами жизни людей. При этом надо обращать внимание, что за деньги снятся – медные, золотые или бумажные...
Сонник Миллера обещает, что если во сне паук плетет паутину, то в доме все будет спокойно и мирно, а если просто снятся пауки, то надо более внимательно отнестись к своей работе, и тогда...
При выборе имени для ребенка необходимо обращать внимание на сочетание выбранного имени и отчества. Предлагаем вам несколько практических советов и рекомендаций.
Хорошее сочетание имени и фамилии играет заметную роль для формирования комфортного существования и счастливой судьбы каждого из нас. Как же его добиться?
Еще недавно многие полагали, что брак по расчету - это архаический пережиток прошлого. Тем не менее, этот вид брака благополучно существует и в наши дни.
Очевидно, что уход за собой необходим любой девушке и женщине в любом возрасте. Но в чем он должен заключаться? С чего начать?
Представляем вам примерный список процедур по уходу за собой в домашних условиях, который вы можете взять за основу и переделать непосредственно под себя.
Та-а-а-к… Повеселилась вчера на дружеской вечеринке… а сегодня из зеркала смотрит на меня незнакомая тётя: убедительные круги под глазами, синева, а первые морщинки
просто кричат о моём биологическом возрасте всем окружающим. Выход один – маскироваться!
Нанесение косметических масок для кожи - одна из самых популярных и эффективных процедур, заметно улучшающая состояние кожных покровов и позволяющая насытить кожу лица необходимыми витаминами. Приготовление масок занимает буквально несколько минут!
Каждая женщина в состоянии выглядеть исключительно стильно, тратя на обновление своего гардероба вполне посильные суммы. И добиться этого совсем несложно – достаточно следовать нескольким простым правилам.
С давних времен и до наших дней люди верят в магическую силу камней, в то, что энергия камня сможет защитить от опасности, поможет человеку быть здоровым и счастливым.
Для выбора амулета не очень важно, соответствует ли минерал нужному знаку Зодиака его владельца. Тут дело совершенно в другом.
© Все права на статьи принадлежат авторам сайта, если не указано иное.
16 +