ראשי > כללי > גאדג'טים בחצר המלך, על עיקרון הפעולה של מיקרוסקופ אופטי

גאדג'טים בחצר המלך, על עיקרון הפעולה של מיקרוסקופ אופטי

בילדותי צפיתי בסרט טלוויזיה לא מוצלח במיוחד שנעשה על פי הספר של מארק טוויין 'ינקי מקונטיקט בחצר המלך ארתור' ובו מהנדס בן ימינו שחוזר בזמן לתקופת מלכותו של המלך ארתור. אחת התמונות היחידות שאני עוד זוכר מהסרט היא של אותו מהנדס רוכב על אופניים שבנה בעוד כולם מביטים בו בהשתהות. מאז ועד היום יצא לי לתהות לא פעם האם יכולתי אני לבנות אופניים בחצרו של המלך דוד. ומאז ועד היום התשובה היתה 'לא' מהדהד. אבל אני יכול להתנחם בעובדה שאני מבין את עיקרון הפעולה הבסיסי של אופניים, כלומר הפדלים, השרשרת וגלגלי השיניים.

כל מעבדת מחקר משופעת במכשירים גדולים, מורכבים ויקרים שנדרשים לביצוע הניסויים (לדוגמא). רובם גם מסוגלים להשמיע את הצליל הנחשק 'ביפ'. אחד הכלים הותיקים והנפוצים ביותר הוא המיקרוסקופ. כיום ישנן לא מעט שיטות מיקרוסקופיה, אך אני מתכוון למיקרוסקופ אופטי פשוט, כזה שכולנו יכולים לקנות בחנות. המיקרוסקופים במעבדות הם אמנם מכשירים מורכבים ואיכותיים יותר, אך גם הם עובדים לפי אותו עיקרון בסיסי שבו השתמשו כבר לפני 400 שנים.

אז איך מייצר המיקרוסקופ תמונות מוגדלות?

Optical_microscope_nikon

תמונה 1: מיקרוסקופ אופטי פשוט. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Moisey.

כדי להבין את עיקרון הפעולה של מיקרוסקופ אצטרך לעבור דרך מספר תחנות. הראשונה היא להסכים על קירוב הקרניים. קירוב זה מניח שניתן להתייחס לאור כאל קרניים היוצאות מהמקור ומתקדמות בקווים ישרים. את האור שנפלט מנורת להט, למשל, נוכל לתאר בעזרת סדרה של קווים ישרים הנפלטים בצורה כדורית לכל כיוון. זהו כמובן קירוב שלא לוקח בחשבון תכונות רבות של האור אך הוא עובד מצוין לצרכים שלי כאן.

התחנה הבאה היא עדשה מרכזת. מדובר ברכיב אופטי עשוי מחומר שקוף כלשהו שגורם לקרני האור העוברות בו להישבר, כלומר לשנות את כיוון מסלולם, כך שהן נפגשות בנקודה מסוימת במרחב. לדוגמה, שורה של קרניים מקבילות הפוגעות בעדשה תפגשנה בנקודה הנקראת 'מוקד' (פוקוס) כמו שניתן לראות בתמונה 2.

Large_convex_lens

תמונה 2: קרניים מקבילות מרוכזות בנקודת המוקד של עדשה מרכזת. כהערת אגב, שימו לב שיש גם קרניים מוחזרות ואפקטים נוספים. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Fir0002.

מה יקרה אם נשים עצם כלשהו אל מול העדשה? ניתן להתייחס אל כל נקודה בעצם כאל מקור אור נקודתי השולח קרני אור לכל כיוון. במקום שבו מצטלבות הקרניים שעברו דרך העדשה נוכל לראות דמות אם נציב מסך. עבור עדשה מרכזת ישנם שלושה מקרים שחשובים להסבר. אם מרחק העצם מהעדשה גדול מפעמיים אורך המוקד שלה, נקבל בצד השני של העדשה דמות הפוכה ומוקטנת, כלומר דמות של חץ תראה כמו אותו חץ רק קצר יותר והפוך על גבי המסך (ראו איור 3, שמאל). במידה ומרחק העצם גדול מאורך המוקד אך קטן מפעמיים האורך נקבל דמות הפוכה ומוגדלת (איור 3, ימין).

דמות ממשית
איור 3: דמות ממשית הפוכה המתקבלת מעדשה מרכזת. משמאל דמות מוקטנת ומימין דמות מוגדלת. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Urilivne1979.

המקרה השלישי הוא מעט מסובך יותר. כאשר מרחק העצם קטן מאורך המוקד, נקבל פיזור קרניים במקום ריכוז. הדמות הישרה והמוגדלת תמצא באותו צד של העדשה שבו נמצא העצם אם נדמיין שנקודת המפגש של הקרניים נמצאת בהמשכם הדמיוני (ראו איור 4). דמות זאת נקראת 'דמות מדומה' ולא ניתן לראות אותה על גבי מסך. הדבר דומה לדמות שלכם בתוך המראה, הרי ברור שאם נשים מסך מאחורי המראה לא ישתקף עליו דבר.

דמות מדומה

איור 4: דמות מדומה הפוכה וישרה המתקבלת מעדשה מרכזת. העצם בשחור נמצא בין העדשה למוקד המסומן באות f. הדמות היא החץ הסגול הגדול משמאל לעצם. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Urilivne1979.

במידה והאור מהעצם עובר דרך מספר עדשות ניתן לחשב את התוצאה על ידי ניתוח המערכת בצורה מדורגת. בכל שלב של הפתרון אנחנו מתייחסים רק לעצם אחד ולעדשה אחת. ראשית נמצא את הדמות הנוצרת מהעצם והעדשה הראשונה. אותה דמות (ממשית או מדומה) תשמש כעצם עבור מציאת הדמות דרך העדשה השניה וכך הלאה עד לעדשה המרוחקת ביותר מהעצם ומציאת הדמות הכוללת של המערכת.

זכוכית מגדלת היא בעצם עדשה מרכזת המוצבת בין עצם כלשהו לבין העין שלנו בהתאם למקרה 2 או 3, וכך אנחנו רואים דמות מוגדלת. אבל הרי הדמות במקרה 3 מדומה, אז איך רואים אותה? כאן כדאי להיזכר שיש גם את עדשת העין שמרכזת את האור על הרשתית שמתפקדת כמסך. הדמות המדומה משמשת כעצם לעדשת העין ועל הרשתית מתקבלת דמות ממשית.

זכוכית מגדלת

תמונה 5: זכוכית מגדלת. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש WolfenSilva.

המיקרוסקופ עושה שימוש ברעיון של זכוכית מגדלת אך מוסיף עוד הגדלה (ואפשרויות נוספות) בעזרת שימוש בעדשה נוספת. העדשה הקרובה לעין נקראת 'עינית' (ocular) וזאת שרחוקה מהעין וקרובה לעצם נקראת 'עצמית' (objective). העצמית היא עדשה מרכזת שמייצרת הגדלה לפי תרחיש 2. שתי העדשות במערכת מוצבות כך שהדמות המוגדלת מהעצמית תמצא בין נקודת המוקד של העינית לעדשה עצמה. כך נוצר סידור של זכוכית מגדלת עבור הדמות שכבר עברה הגדלה מהעצמית.

העינית היא עדשה מרכזת שתורמת הגדלה פי 10, אך החלק החשוב ולרוב היקר ביותר במיקרוסקופ הוא עדשת העצמית. ההגדלה שלה נעה בין פי 4 לפי 100, והיא גם זאת שתקבע את כושר ההפרדה (רזולוציה) של המערכת. מסיבה זאת קיים גלגל מכאני על המיקרוסקופ שמאפשר להחליף בין כמה עדשות עצמית בעלות תכונות שונות, כאשר כל אחת מיועדת לתחומי עבודה שונים.

רק אזכיר לפני פיזור שמערכת מיקרוסקופ מתקדמת כמו זאת הנמצאת במעבדות מכילה מספר רב יותר של עדשות ורכיבים נוספים שכל אחד מהם מסובך הרבה יותר ממה שתואר ברשימה. עם זאת, הקסם לדעתי הוא שהרעיון הבסיסי בכולן הוא עדיין אותן שתי עדשות מרכזות, עצמית ועינית, המוצבות בסידור מתאים. זה כמובן לא אומר שיכולתי לבנות מיקרוסקופ בימי קדם. אבל לפחות יכולתי להסביר לאבותינו הקדמונים איך זה היה עובד אילו רק ידעתי ללטש עדשות.

מודעות פרסומת
  1. 25/10/2013 בשעה 1:54 pm

    אני מניח שאם היית משחק עם עדשות מספיק זמן, היית מגלה את העיקרון הזה, גם בלי להבין את ההסברים ואת הנוסחאות. אז היית מנסה להחליף כל פעם אלמנט אחד בדומה לו, ומזהה מגמות השפעה.
    כך היית יכול לשפר עוד ועוד את ההתקן, עדיין בלי להבין יותר מדי ובלי נוסחאות.
    כמובן שבשלב מסויים היית נעצר בתהליך, בשלב בו רק הבנת העיקרון יכולה להניב שיפור נוסף או אף קפיצת דרך.

  2. 25/10/2013 בשעה 2:05 pm

    כן, אבל מי היה מלטש עבורי עדשות? הכנענים? 🙂

    • 25/10/2013 בשעה 11:36 pm

      מכירה מישהו כזה… להפנות אותך?

      • 26/10/2013 בשעה 3:45 am

        מלטש עדשות או כנעני?

      • 26/10/2013 בשעה 4:22 am

        מלטש, כמובן (זה מה ששאלת, לא? :-)).

  3. 25/10/2013 בשעה 2:27 pm

    זה כבר משהו אחר 🙂
    אולי מתחתיות זכוכית של בקבוקים היית עולה על משהו

  4. יאיא
    25/10/2013 בשעה 5:23 pm

    שפינוזה התעסק בליטוש עדשות

  5. 25/10/2013 בשעה 6:07 pm

    גלעד: אתה נותן לי יותר מידי קרדיט…
    יאיא: שפינוזה אכן עסק בליטוש עדשות אך עשה זאת בתקופה שבה גלילאו ואחרים כבר בנו מיקרוסקופ וטלסקופ. בתקופה זאת אולי כבר היה קל יותר פשוט לקנות מיקרוסקופ כמו היום.

  1. No trackbacks yet.

כתיבת תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

%d בלוגרים אהבו את זה: