интересные факты о истории создании микроскопа и получил лучший ответ

Ответ от ~*~Len@ Pechterev@~*~[гуру]
Сегодня трудно представить себе научную деятельность человека без микроскопа. Микроскоп широко применяется в большинстве лабораторий медицины и биологии, геологии и материаловедения.
Полученные с помощью микроскопа результаты необходимы при постановке точного диагноза, при контроле над ходом лечения. С использованием микроскопа происходит разработка и внедрение новых препаратов, делаются научные открытия.
Микроскоп - (от греческого mikros - малый и skopeo - смотрю) , оптический прибор для получения увеличенного изображения мелких объектов и их деталей, не видимых невооруженным глазом.
Глаз человека 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.
Изобретение микроскопа, столь важного для всей науки прибора обусловлено, прежде всего, влиянием развития оптики. Некоторые оптические свойства изогнутых поверхностей были известны еще Евклиду (300 лет до н. э.) и Птоломею (127-151 гг.) , однако их увеличительная способность не нашла практического применения. В связи с этим первые очки были изобретены Сальвинио дели Арлеати в Италии только в 1285 г. В 16 веке Леонардо да Винчи и Мауролико показали, что малые объекты лучше изучать с помощью лупы.
Первый микроскоп был создан лишь в 1595 году Захариусом Йансеном (Z. Jansen). Изобретение заключалось в том, что Захариус Йансен смонтировал две выпуклые линзы внутри одной трубки, тем самым, заложив основы для создания сложных микроскопов. Фокусировка на исследуемом объекте достигалось за счет выдвижного тубуса. Увеличение микроскопа составляло от 3 до 10 крат. И это был настоящий прорыв в области микроскопии! Каждый свой следующий микроскоп он значительно совершенствовал.
В этот период (XVI в.) датские, английские и итальянские исследовательские приборы постепенно начали свое развитие, закладывая фундамент современной микроскопии.
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.) . В своей книге "Micrographia" Гук описал устройство микроскопа.
В 1681 г. Лондонское королевское общество в своем заседании подробно обсуждало своеобразное положение. Голландец Левенгук (A. van Leenwenhoek) описывал изумительные чудеса, которые открывал своим микроскопом в капле воды, в настое перца, в иле реки, в дупле собственного зуба. Левенгук с помощью микроскопа обнаружил и зарисовал сперматозоиды различных простейших, детали строения костной ткани (1673-1677).
"С величайшим изумлением я увидел в капле великое множество зверюшек, оживленно двигающихся во всех направлениях, как щука в воде. Самое мелкое из этих крошечных животных в тысячу раз меньше глаза взрослой вши. "

Микроскоп - это оптический прибор, позволяющий получить увеличенные изображения мелких предметов или их деталей, которые невозможно рассмотреть невооружённым глазом.

Дословно слово «микроскоп» означает «наблюдать за чем-то маленьким, (от греческого «малый» и «смотрю»).

Глаз человека, как любая оптическая система, характеризуется определённым разрешением. Это наименьшее расстояние между двумя точками или линиями, когда они ещё не сливаются, а воспринимаются раздельно друг от друга. При нормальном зрении на расстоянии 250 мм разрешение составляет 0,176 мм. Поэтому все объекты, размер которых меньше этой величины, наш глаз уже не в состоянии различить. Мы не можем видеть клетки растений и животных, различные микроорганизмы и др. Но это можно сделать с помощью специальных оптических приборов - микроскопов.

Как устроен микроскоп

Классический микроскоп состоит из трех основных частей: оптической, осветительной и механической. Оптическая часть - это окуляры и объективы, осветительная - источники освещения, конденсор и диафрагма. К механической части принято относить все остальные элементы: штатив, револьверное устройство, предметный столик, систему фокусировки и многое другое. Все вместе и позволяет проводить исследования микромира.

Что такое «диафрагма микроскопа»: поговорим об осветительной системе

Для наблюдений микромира хорошее освещение настолько же важно, как и качество оптики микроскопа. Светодиоды, галогенные лампы, зеркало - для микроскопа могут использоваться разные источники освещения. У каждого есть свои плюсы и минусы. Подсветка может быть верхней, нижней или комбинированной. Ее расположение влияет на то, какие микропрепараты можно изучать при помощи микроскопа (прозрачные, полупрозрачные или непрозрачные).

Под предметным столиком, на который кладется образец для исследований, располагается диафрагма микроскопа. Она может быть дисковой или ирисовой. Диафрагма предназначена для регулировки интенсивности освещения: с ее помощью можно отрегулировать толщину светового пучка, идущего от осветителя. Дисковая диафрагма - это небольшая пластина с отверстиями разного диаметра. Ее обычно устанавливают на любительские микроскопы. Ирисовая диафрагма состоит из множества лепестков, с помощью которых можно плавно изменять диаметр светопропускающего отверстия. Она чаще встречается в микроскопах профессионального уровня.

Оптическая часть: окуляры и объективы

Объективы и окуляры - наиболее популярные запчасти для микроскопа. Хотя далеко не все микроскопы поддерживают смену этих аксессуаров. Оптическая система отвечает за формирование увеличенного изображения. Чем она лучше и совершеннее, тем картинка получается четче и подробнее. Но высочайший уровень качества оптики нужен только в профессиональных микроскопах. Для любительских исследований достаточно стандартной стеклянной оптики, обеспечивающей увеличение до 500-1000 крат. А вот пластиковых линз мы рекомендуем избегать - качество картинки в таких микроскопах обычно расстраивает.

Механические элементы

В любом микроскопе присутствуют элементы, которые позволяют исследователю управлять фокусом, регулировать положение исследуемого образца, настраивать рабочее расстояние оптического прибора. Все это часть механики микроскопа: коаксиальные механизмы фокусировки, препаратоводитель и препаратодержатель, ручки регулировки резкости, предметный столик и многое другое.

История создания микроскопа

Когда появился первый микроскоп, точно неизвестно. Простейшие увеличительные приборы - двояковыпуклые оптические линзы, находили ещё при раскопках на территории Древнего Вавилона.

Считается, что первый микроскоп создали в 1590 г. голландский оптик Ганс Янсен и его сын Захарий Янсен. Так как линзы в те времена шлифовали вручную, то они имели различные дефекты: царапины, неровности. Дефекты на линзах искали с помощью другой линзы - лупы. Оказалось, что если рассматривать предмет с помощью двух линз, то происходит его многократное увеличение. Смонтировав 2 выпуклые линзы внутри одной трубки, Захарий Янсен получил прибор, который напоминал подзорную трубу. В одном конце этой трубки находилась линза, выполняющая функцию объектива, а в другом - линза-окуляр. Но в отличие от подзорной трубы прибор Янсена не приближал предметы, а увеличивал их.

В 1609 г. итальянский учёный Галилео Галилей разработал составной микроскоп с выпуклой и вогнутой линзами. Он называл его «оккиолино» - маленький глаз.

10 лет спустя, в 1619 г. нидерландский изобретатель Корнелиус Якобсон Дреббель сконструировал составной микроскоп с двумя выпуклыми линзами.

Мало кто знает, что свой название микроскоп получил только в 1625 г. Термин «микроскоп» предложил друг Галилео Галилея немецкий доктор и ботаник Джованни Фабер.

Все созданные в то время микроскопы были довольны примитивными. Так, микроскоп Галилея мог увеличивать всего в 9 раз. Усовершенствовав оптическую систему Галилея, английский учёный Роберт Гук в 1665 г. создал свой микроскоп, который обладал уже 30-кратным увеличением.

В 1674 г. нидерландский натуралист Антони ван Левенгук создал простейший микроскоп, в котором использовалась всего одна линза. Нужно сказать, что создание линз было одним из увлечений учёного. И благодаря его высокому мастерству в шлифовании, все сделанные им линзы получались очень высокого качества. Левенгук называл их «микроскопиями». Они были маленькие, размером с ноготь, но могли увеличивать в 100 или даже в 300 раз.

Микроскоп Левенгука представлял собой металлическую пластину, в центре которой находилась линза. Наблюдатель смотрел через неё на образец, закреплённый с другой стороны. И хотя работать с таким микроскопом было не совсем удобно, Левенгук смог сделать с помощью своих микроскопов важные открытия.

В те времена было мало известно о строении органов человека. С помощью своих линз Левенгук обнаружил, что кровь состоит из множества крошечных частиц - эритроцитов, а мышечная ткань - из тончайших волокон. В растворах он увидел мельчайшие существа разной формы, которые двигались, сталкивались и разбегались. Теперь мы знаем, что это бактерии: кокки, бациллы и др. Но до Левенгука об этом не было известно.

Всего учёным было изготовлено более 25 микроскопов. 9 из них сохранились до наших дней. Они способны увеличивать изображение в 275 раз.

Микроскоп Левенгука был первым микроскопом, который завезли в Россию по указанию Петра I.

Постепенно микроскоп совершенствовался и приобретал форму, близкую к современной. Учёные России также внесли огромный вклад в этот процесс. В начале XVIII века в Петербурге в мастерской Академии наук создавались усовершенствованные конструкции микроскопов. Русский изобретатель И.П. Кулибин построил свой первый микроскоп, не имея никаких знаний о том, как это делали за границей. Он создал производство стекла для линз, придумал приспособления для их шлифовки.

Великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов первым из русских учёных стал использовать микроскоп в своих научных исследованиях.

Однозначного ответа на вопрос «Кто же всё-таки изобрел микроскоп?», пожалуй, не существует. В развитие микроскопного дела внесли вклад лучшие ученые и изобретатели разных эпох.

С древних времен человек хотел увидеть вещи, куда более мелкие, чем может воспринять невооруженный глаз. Кто первый начал использовать линзы, сейчас сказать невозможно, но достоверно известно, например, что наши предки более 2 тысяч лет назад знали о том, что стекло способно преломлять свет.

Во втором веке до нашей эры Клавдий Птолемей описывал, как “изгибается” палка, которую окунули в воду, и даже очень точно подсчитал постоянную рефракции. Еще ранее в Китае делали устройства из линз и наполненной водой трубки, чтобы “видеть невидимое”.

В 1267 году Роджер Бэкон описал принципы работы линз и общую идею телескопа и микроскопа, но только в конце XVI века Захарий Янсен и его отец Ганс, производители очков из Голландии, начали экспериментировать с линзами. Они поместили несколько линз в трубку и обнаружили, что предметы, обозреваемые через нее, выглядят значительно больше, чем под простым увеличительным стеклом.

Но этот их “микроскоп” был скорее диковинкой, нежели научным прибором. Сохранилось описание инструмента, который отец и сын сделали для королевской семьи. Он состоял из трех скользящих трубок общей длиной в 45 с небольшим сантиметров и диаметром в 5 сантиметров. В закрытом виде он увеличивал в 3 раза, в полностью раскрытом — в 9 раз, правда, изображение получалось немного размытым.

В 1609 году Галилео Галилей создал составной микроскоп с выпуклыми и вогнутыми линзами и в 1612 представил этот “оккиолино” (“маленький глаз”) польскому королю Сигизмунду III. Через несколько лет, в 1619-м, нидерландский изобретатель Корнелиус Дреббель продемонстрировал в Лондоне свою версию микроскопа, с двумя выпуклыми линзами. Но само слово “микроскоп” появилось только в 1625 году, когда, по аналогии с “телескопом”, его придумал немецкий ботаник из Бамберга, Иоханн (Джованни) Фабер.

От Левенгука до Аббе

В 1665 году английский естествоиспытатель Роберт Гук усовершенствовал увеличительный инструмент и открыл элементарные единицы строения, клетки, изучая кору пробкового дуба. Через 10 лет после этого голландский ученый Антони ван Левенгук сумел получить еще более совершенные линзы. Его микроскоп увеличивал предметы в 270 раз, при том, что остальные подобные приборы едва достигали 50-кратного увеличения.

Благодаря своим качественно отшлифованным и отполированным линзам, Ленвенгук сделал множество открытий — он первым увидел и описал бактерии, дрожжевые клетки, наблюдал движение кровяных телец в капиллярах. Всего ученый изготовил как минимум 25 разных микроскопов, из которых до нашего времени дошли лишь девять. Есть предположения, что некоторые из утерянных приборов имели даже 500-кратное увеличение.

Несмотря на все достижения в этой области, в последующие 200 лет микроскопы практически не изменились. И только в 1850-х немецкий инженер Карл Цейс начал совершенствовать линзы для микроскопов, которые производила его компания. В 1880-х он нанял Отто Шотта, специалиста по оптическим стеклам. Его исследования позволили значительно улучшить качество увеличительных приборов.

Еще один сотрудник Карла Цейса, физик-оптик Эрнст Аббе, усовершенствовал сам процесс производства оптических инструментов. Прежде все работы с ними выполнялись методом проб и ошибок; Аббе же создал для них теоретический фундамент, научно обоснованные методы изготовления.

С развитием технологии и появился микроскоп, который мы знаем сейчас. Однако теперь оптические микроскопы, способные фокусироваться на объектах, размер которых превышает или равен длине волны света, уже не могли удовлетворить ученых.

Современные электронные микроскопы

В 1931 году немецкий физик Эрнст Руска начал работу над созданием первого электронного микроскопа (просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп). В 1986 году за это изобретение он получит Нобелевскую премию.

В 1936-м немецкий же ученый Эрвин Вильгель Мюллер изобрел электронный проектор (автоэлектронный микроскоп). Прибор позволял увеличить изображение твердого тела в миллионы раз. Через 15 лет Мюллер же сделал еще один прорыв в этой области — автоионный микроскоп, который дал физику возможность впервые в истории человечества увидеть атомы.

Параллельно велись и другие работы. В 1953 году голландец Фриц Цернике, профессор теоретической физики, получил Нобелевскую премию за создание фазово-контрастной микроскопии. В 67-м Эрвин Мюллер усовершенствовал свой автоионный микроскоп, добавив к нему время-пролетный масс-спектрометр, создав первый “атомный зонд”. Это устройство позволяет не только идентифицировать отдельно взятый атом, но и определять массу и кратность заряда иона.

В 1981-м Герд Бинниг и Генрих Рорер из Германии создали сканирующий (растровый) туннельный микроскоп; через пять лет после этого Бинниг и его коллеги изобрели сканирующий атомно-силовой микроскоп. В отличие от предыдущей разработки, АСМ позволяет исследовать и проводящие, и непроводящие поверхности и фактически манипулировать атомами. В том же году Бинниг и Рорер получили Нобелевскую премию за СТМ.

В 1988 году трое ученых из Великобритании снабдили “атомный зонд” Мюллера позиционно-чувствительным детектором, что дало возможность определять положение атомов в трех измерениях.

В 1988-м японский инженер Кинго Итая изобрел электрохимический сканирующий туннельный микроскоп, а три года спустя был предложен кельвин-зондовый силовой микроскоп — бесконтактная версия атомно-силового микроскопа.

Вернуться к статьям

Изобретение и усовершенствование микроскопа

Развитие оптики позволило сконструировать в XVII в. микроскоп - прибор, оказавший поистине революционное действие на развитие биологии. Микроскопия открыла для исследователей мир простейших и бактерий. Изучение доселе недоступных деталей строения животных, растений и грибов показало, что в основе всего живого лежит универсальное крошечное образование - клетка.

К микроскопам в современном понимании относится лишь "сложный" микроскоп - прибор, состоящий из двух систем линз: окуляра и объектива. Но на заре микроскопии широко использовались и "простые" микроскопы, которые сегодня мы назвали бы лупой.
Один из первых сложных микроскопов был сконструирован в 1609-1610 гг. Галилеем как видоизмененный телескоп. Современный сложный микроскоп ведет свое происхождение от английских или голландских двухлинзовых микроскопов начала XVII в. Объекты в них рассматривались при дневном освещении в падающем свете; приспособления для наведения на фокус отсутствовали.

Один из первых микроскопов привычного нам вида

Первое крупное усовершенствование сложного микроскопа связано с именем английского физика Роберта Гука (1635-1703). Улучшения затронули как оптику, так и особенности механической конструкции. Принципиально новой явилась и придуманная ученым система искусственного освещения объекта.

Развитие микроскопии в XVIII столетии шло главным образом по пути улучшения конструкции механических частей. Тубус, несущий линзы, укреплялся теперь подвижно на особой колонке, его передвижение обеспечивалось специальным винтом с нарезкой.

История первого микроскопа или с чего все начиналось

Усовершенствования конструкции позволяли теперь исследовать как прозрачные объекты в проходящем свете, так и непрозрачные в падающем. С 1715 г. у микроскопа появляется привычное нам зеркало.

Микроскоп адаптированный для фотоснимков в чёрной комнате

Во всех сложных микроскопах XVII - XVIII вв. при увеличениях выше 120 - 150 раз (сферическая и хроматическая аберрации) сильно искажали изображение. Поэтому становится понятным то предпочтение, которое микроскописты того времени, начиная с

А. Левенгука, отдавали простому однолинзовому микроскопу. Проблема хроматической аберрации была решена в конце XVIII - начале XIX в. за счет применения комбинации линз из разных сортов стекла. Первый ахроматический микроскоп был сконструирован в 1784 г. петербургским академиком Ф. Эпинусом, но в силу ряда причин широкого распространения он не получил. Дальнейшие шаги на пути ахроматизации микроскопа были предприняты одновременно разными мастерами в Германии, Англии и Франции. В 1827 г. Дж. Б. Амичи использовал в объективе плоскую фронтальную линзу, что позволило уменьшить сферическую аберрацию.

Техника шлифовки и взаимной подгонки линз достигла такого совершенства, что микроскопы первой половины XIX в. могли давать увеличение до 1000 раз. Практическое применение таких сильных систем ограничивалось тем, что поле зрения при больших увеличениях оставалось темным - значительная часть лучей, преломляясь в воздухе, не попадала в объектив. Коренное улучшение было достигнуто с началом применения (иммерсии). Масляный иммерсионный объектив был создан конструкторами фирмы К. Цейса.

Создание фабричного производства микроскопов, соревнование между конкурирующими фабриками привело к удешевлению инструментов, и в сороковых годах XIX столетия микроскоп становится повседневным лабораторным инструментом, который могли иметь даже отдельные врачи и студенты.
В 1886 г. фирма К. Цейса выпустила новые объективы-апохроматы, где коррекция сферической и хроматической аберрации была доведена до предела. Как показали вычисления Э. Аббе, с изготовлением этих линз был достигнут предел разрешающей способности светового микроскопа.

Один из первых микроскопов компании Carl Zeiss. Фото: Flavio

Параллельно с совершенствованием микроскопа развивалась методика приготовления микроскопических препаратов. Долгое время она оставалась весьма примитивной - до начала XIX в. микроскописты в основном рассматривали высушенные объекты. Исследуются свежие препараты, не подвергнутые какой-либо обработке. Методов изготовления "постоянных препаратов", чем характеризуется современная микроскопия, еще не существовало, из-за этого исследователь лишался возможности длительного изучения препарата и сравнения новых препаратов со старыми.

К началу второй четверти XIX в. исследователи стали применять для изучения тканей некоторые реактивы, например, прибавление уксусной кислоты давало возможность выявления клеточных ядер. Реактивы применялись тут же, на предметном столике микроскопа.
С 80-х гг. XIX в. в практике микроскопических исследований непременным атрибутом становится микротом, изобретенный Я. Пуркинье. Применение микротома дало возможность изготавливать тонкие срезы и получать непрерывные серии срезов, что привело к успехам в изучении тонкого строения клетки.

В середине XIX в. микроскописты начинают использовать различные методы фиксации и окраски препаратов, заливки исследуемых объектов в более плотные среды. С 70-х гг. XIX в. для изготовления постоянных препаратов начинают традиционно применять канадский бальзам.

Кто в Россию ввз первый микроскоп трудно сказать. Скорее всего это было не ранее 17 века..

В Википедии такие данные:
Невозможно точно определить, кто изобрл микроскоп. Считается, что голландский мастер очков Ханс Янссен и его сын Захария Янссен изобрели первый микроскоп в 1590, но это было заявление самого Захария Янссена в середине XVII века. Дата, конечно, не точна, так как оказалось, что Захария родился около 1590 г.

Как был изобретен микроскоп

Другим претендентом на звание изобретателя микроскопа был Галилео Галилей. Он разработал occhiolino (оккиолино), или составной микроскоп с выпуклой и вогнутой линзами в 1609 г. Галилей представил свой микроскоп публике в Академии деи Линчеи, основанной Федерико Чези в 1603 г. Изображение трх пчел Франческо Стеллути было частью печати Папы Урбана VIII и считается первым опубликованным микроскопическим символом (см. Stephen Jay Gould, The Lying stones of Marrakech, 2000). Кристиан Гюйгенс, другой голландец, изобрел простую двулинзовую систему окуляров в конце 1600-х, которая ахроматически регулировалась и, следовательно, стала огромным шагом вперед в истории развития микроскопов. Окуляры Гюйгенса производятся и по сей день, но им не хватает широты поля обзора, а расположение окуляров неудобно для глаз по сравнению с современными широкообзорными окулярами. Антон Ван Левенгук (16321723) считается первым, кто сумел привлечь к микроскопу внимание биологов, несмотря на то, что простые увеличительные линзы уже производились с 1500-х годов, а увеличительные свойства наполненных водой стеклянных сосудов упоминались ещ древними римлянами (Сенека). Изготовленные вручную, микроскопы Ван Левенгука представляли собой очень небольшие изделия с одной очень сильной линзой. Они были неудобны в использовании, однако позволяли очень детально рассматривать изображения лишь из-за того, что не перенимали недостатков составного микроскопа (несколько линз такого микроскопа удваивали дефекты изображения). Понадобилось около 150 лет развития оптики, чтобы составной микроскоп смог давать такое же качество изображения, как простые микроскопы Левенгука. Так что, хотя Антон Ван Левенгук был великим мастером микроскопа, он не был его изобретателем вопреки широко распространнному мнению.http://ru.wikipedia.org/wiki/световой микроскоп

Первый микроскоп был сконструирован отнюдь не профессиональным ученым, а любителем, торговцем мануфактурой Антони Ван Левенгуком, жившим в Голландии в XVII веке. Именно этот пытливый самоучка первым взглянул через сделанный им самим прибор на капельку воды и увидел тысячи мельчайших существ, названных им латинским словом animalculus (маленькие звери). За свою жизнь Левенгук успел описать более двухсот видов зверушек, а изучая тонкие срезы мяса, фруктов и овощей, он открыл клеточную структуру живой ткани. За заслуги перед наукой Левенгук в 1680 году был избран действительным членом Королевского общества, а чуть позже стал академиком и Французской Академии наук.

Микроскопы Левенгука, которых за свою жизнь он собственноручно изготовил более трех сотен, представляли собой небольшую, величиной с горошину, сферическую линзу, вставленную в оправу. Микроскопы имели предметный столик, положение которого относительно линзы можно было настраивать с помощью винта, а вот подставки или штатива у этих оптических приборов не было их нужно было держать в руках. С точки зрения сегодняшней оптики, прибор, который называется микроскопом Левенгука, является не микроскопом, а очень сильной лупой, поскольку его оптическая часть состоит только из одной линзы.http://www.foto.ru/articles/?article_mic…
ссылка появится после проверки модератором История микроскопа
Разработал в России первый ахроматический микроскоп (около 1784 года) Франц Ульрих Теодор Эпинус, нем. Aepinus, (2(13) декабря 1724, Росток 10(22) августа 1802, Дерпт, ныне Тарту) российский физик, член Петербургской Академии наук (1756).http://ru.wikipedia.org/wiki/Эпинус,_Фра…

Какое значение имело изобретение микроскопа? История изобретения микроскопа

Микроскопом называется уникальный прибор, призванный увеличивать микроизображения и измерять размеры объектов или структурные образования, наблюдаемые через объектив. Эта разработка удивительна, а значение изобретения микроскопа чрезвычайно велико, ведь без него не существовало бы некоторых направлений современной науки. И отсюда поподробнее.

Микроскоп — родственное телескопу устройство, которое применяется для совершенно других целей. С помощью него удается рассмотреть структуру объектов, которые невидимы глазом. Он позволяет определять морфологические параметры микрообразований, а также оценивать их объемное расположение. Потому даже сложно представить, какое значение имело изобретение микроскопа, и как его появление повлияло на развитие науки.

История микроскопа и оптики

Сегодня сложно ответить, кто первым изобрел микроскоп. Вероятно, этот вопрос будет также широко обсуждаться, как и создание арбалета. Однако, в отличие от оружия, изобретение микроскопа действительно произошло в Европе. А кем именно, пока неизвестно. Вероятность того, что первооткрывателем устройства стал Ханс Янсен, голландский мастер по производству очков, достаточно высока. Его сыном, Захарием Янсеном, в 1590 году было сделано заявление, что он вместе с отцом сконструировал микроскоп.

Но уже в 1609 году появился и еще один механизм, который создал Галилео Галилей. Он назвал его occhiolino и презентовал публике Национальной академии деи Линчеи. Доказательством того, что в тот период уже мог использоваться микроскоп, является знак на печати папы Урбана III. Считается, что он представляет собой модификацию изображения, полученного путем микроскопирования. Световой микроскоп (составной) Галилео Галилея состоял из одной выпуклой и одной вогнутой линзы.

Совершенствование и внедрение в практику

Уже через 10 лет после изобретения Галилея Корнелиус Дреббель создает составной микроскоп, имеющий две выпуклые линзы. А позже, то есть уже к концу 1600-х годов, Кристиан Гюйгенс разработал двухлинзовую систему окуляров. Они производятся и сейчас, хотя им не хватает широты обзора. Но, что важнее, при помощи такого микроскопа в 1665 году Робертом Гуком было проведено исследование среза пробкового дуба, где ученый увидел так называемые соты. Результатом эксперимента стало введение понятия "клетка".

Другой отец микроскопа — Антони ван Левенгук — лишь переизобрел его, но сумел привлечь к прибору внимание биологов. И после этого стало понятно, какое значение имело изобретение микроскопа для науки, ведь это позволило развиваться микробиологии. Вероятно, упомянутый прибор существенно ускорил развитие и естественных наук, ведь пока человек не увидел микробов, он верил, что болезни зарождаются от нечистоплотности. А в науке царствовали понятия алхимии и виталистические теории существования живого и самозарождения жизни.

Микроскоп Левенгука

Изобретение микроскопа является уникальным событием в науке Средневековья, потому как благодаря устройству удалось найти множество новых предметов для научного обсуждения. Более того, множество теорий разрушилось благодаря микроскопированию. И в этом большая заслуга Антони ван Левенгука. Он смог усовершенствовать микроскоп так, чтобы он позволял детально увидеть клетки. И если рассматривать вопрос в этом контексте, то Левенгук действительно является отцом микроскопа такого типа.

Структура прибора

Сам световой микроскоп Левенгука представлял собой пластинку с линзой, способной многократно увеличивать рассматриваемые объекты. Эта пластинка с линзой имела штатив. Посредством него она монтировалась на горизонтальный стол. Направляя линзу на свет и располагая между нею и пламенем свечи исследуемый материал, можно было разглядеть бактериальные клетки. Причем первым материалом, который Антони ван Левенгук исследовал, был зубной налет. В нем ученый увидел множество существ, назвать которые пока не мог.

Уникальность микроскопа Левенгука поражает. Имеющиеся тогда составные модели не давали высокого качества изображения. Более того, наличие двух линз только усиливало дефекты. Потому потребовалось более 150 лет, пока составные микроскопы, изначально разработанные Галилеем и Дреббелем, начали давать такое же качество изображения, как устройство Левенгука. Сам же Антони ван Левенгук все равно не считается отцом микроскопа, но по праву является признанным мастером микроскопирования нативных материалов и клеток.

Изобретение и совершенствование линз

Само понятие линзы существовало уже в Древнем Риме и Греции. Например, в Греции при помощи выпуклых стекол удавалось разжигать огонь. А в Риме давно заметили свойства стеклянных сосудов, наполненных водой. Они позволяли увеличивать изображения, хотя и не во много раз. Дальнейшее развитие линз неизвестно, хотя очевидно, что прогресс на месте стоять не мог.

Известно, что в 16 веке в Венеции вошло в практику применение очков. Подтверждением этого являются факты о наличии станков для шлифовки стекла, что позволяло получать линзы.

Кто изобрёл микроскоп?

Также имелись чертежи оптических приборов, представляющих собой зеркала и линзы. Авторство данных работ принадлежит Леонардо да Винчи. Но еще раньше люди работали с увеличительными стеклами: еще в 1268 году Роджер Бэкон выдвинул идею создания подзорной трубы. Позже она была реализована.

Очевидно, что авторство линзы никому не принадлежало. Но это наблюдалось до того момента, пока оптикой не занялся Карл Фридрих Цейс. В 1847 году он приступил к производству микроскопов. Затем его компания стала лидером в разработке оптических стекол. Она существует до сегодняшнего дня, оставаясь главной в отрасли. С ней сотрудничают все компании, которые занимаются производством фото- и видеокамер, оптических прицелов, дальномеров, телескопов и прочих устройств.

Совершенствование микроскопии

История изобретения микроскопа поражает при ее детальном изучении. Но не менее интересной является и история дальнейшего совершенствования микроскопии. Начали появляться новые виды микроскопов, а научная мысль, порождающая их, погружалась все глубже. Теперь целью ученого было не только изучение микробов, но и рассмотрение более мелких составляющих. Оными являются молекулы и атомы. Уже в 19 веке их удавалось исследовать посредством рентгеноструктурного анализа. Но наука требовала большего.

Итак, уже в 1863 году исследователем Генри Клифтоном Сорби для исследования метеоритов был разработан поляризационный микроскоп. А в 1863 году Эрнстом Аббе была разработана теория микроскопа. Она была успешно перенята на производстве Карла Цейса. Его компания за счет этого развилась до признанного лидера отрасли оптических приборов.

Но вскоре наступил 1931 год — время создания электронного микроскопа. Он стал новым видом аппарата, позволяющим видеть намного больше, чем световой. В нем для просвечивания применялись не фотоны и не поляризованный свет, а электроны — частицы куда более мелкие, нежели самые простые ионы. Именно изобретение электронного микроскопа позволило развиваться гистологии. Теперь ученые обрели полную уверенность, что их суждения о клетке и ее органеллах действительно правильные. Впрочем, лишь в 1986 году создателю электронного микроскопа Эрнсту Руска была присуждена Нобелевская премия. Более того, уже в 1938 году Джеймс Хиллер строит просвечивающий электронный микроскоп.

Новейшие виды микроскопов

Наука после успехов многих ученых развивалась все быстрее. А потому целью, продиктованной новыми реалиями, стала необходимость разработки высокочувствительного микроскопа. И уже в 1936 году Эрвином Мюллером выпускается полевой эмиссионный прибор. А в 1951 году производится еще одно устройство — полевой ионный микроскоп. Его важность чрезвычайна, потому как он впервые позволил ученым видеть атомы. А вдобавок к этому в 1955 году Ежи Номарский разрабатывает теоретические основы дифференциальной интерференционно-контрастной микроскопии.

Совершенствование новейших микроскопов

Изобретение микроскопа еще не является успехом, потому как заставить ионы или фотоны проходить через биологические среды, а потом рассматривать полученное изображение, в принципе, нетрудно. Вот только вопрос повышения качества микроскопии был действительно важным. И после этих умозаключений ученые создали пролетный масс-анализатор, который получил название сканирующего ионного микроскопа.

Это устройство позволяло сканировать отдельно взятый атом и получать данные о трехмерной структуре молекулы. Вместе с рентгеноструктурным анализом этот метод позволил значительно ускорить процесс идентификации многих веществ, встречающихся в природе. А уже в 1981 году был введен сканирующий туннельный микроскоп, а в 1986 — атомно-силовой. 1988 — это год изобретения микроскопа сканирующего электрохимического туннельного типа. А самым последним и наиболее полезным является силовой зонд Кельвина. Он был разработан в 1991 году.

Оценка глобального значения изобретения микроскопа

Начиная с 1665 года, когда Левенгук занялся обработкой стекла и производством микроскопов, отрасль развивалась и усложнялась. И задаваясь вопросом о том, какое значение имело изобретение микроскопа, стоит рассмотреть основные достижения микроскопирования. Итак, этот метод позволил рассмотреть клетку, что послужило очередным толчком развития биологии. Затем прибор позволил разглядеть органеллы клетки, что дало возможность сформировать закономерности клеточной структуры.

Затем микроскоп позволил увидеть молекулу и атом, а позднее ученые смогли сканировать их поверхность. Более того, посредством микроскопа можно увидеть даже электронные облака атомов. Поскольку электроны движутся со скоростью света вокруг ядра, то рассмотреть эту частицу совершенно невозможно. Несмотря на это, следует понимать, какое значение имело изобретение микроскопа. Он дал возможность увидеть нечто новое, что нельзя видеть глазом. Это удивительный мир, изучение которого приблизило человека к современным достижениям физики, химии и медицины. А это стоит всех трудов.

С V в. до н. э. древнегреческие философы начали в своих теориях касаться истинного способа распространения света. Пифагор с потрясающей прозорливостью считал, что объекты становятся видимыми благодаря “выстреливаемым” ими крохотным частицам, попадающим в глаз человека (позднее его идея была воскрешена дважды в XVII и в XX веке).

Оптика – та наука, которая уже в древности была связана с практическими нуждами. Греческие геометры, приступив к исследованию оптических явлений, в том числе атмосферной оптики, обнаружили видимую прямолинейность распространения света: подсказкой здесь послужили отбрасываемые предметами тени. Затем учение о свете было включено в систему линейной геометрии; были разработаны геометрические методы образования изображения как от плоского, так и от кривого зеркала - исследования, которые они называли катоптрикой (наука об отражении лучей от зеркальных поверхностей). Методика прослеживания луча для нахождения изображения, впервые серьезно изученная во времена Пифагора, широко используется при оптических расчетах и в наши дни.

В 444 г. до н.э. греческий философ Эмпедокл выдвинул теорию, альтернативную идее Пифагора, по которой предметы становятся видимыми благодаря использованию неуловимого щупальца, простирающегося от глаза и захватывающего видимый предмет. Эта идея о существовании какого-то излучения, выходящего из глаза, стала известной под названием "теории окулярных пучков". Она получила широкое распространение в древности, обсуждалась на протяжении столетий, но встретила сильнейшее сопротивление в 350 г. до н.э. со стороны Аристотеля . Последний считал свет проявлением некоей разряженной среды, называемой пеллуцид и заполняющей все пространство. По его мнению, через эту среду передается определенного рода воздействие от объекта к глазу. Мысль эта, безусловно, созвучна высказанной в XIX в. идее распространения света как колебаний разряженного эфира.

Автором первых дошедших до нас греческих работ по оптике был Евклид . До нас дошла его “Оптика” - трактат по теории перспективы. На закон отражения он ссылается, как на нечто уже известное: он говорит, что этот закон доказывается в его "Катоптрике". “Катоптрика” Евклида не сохранилась. Вероятно, уже в древности это сочинение было оттеснено на второй план более объемной “Катоптрикой” Архимеда (теперь также утерянной), содержавшей строгое изложение всех достижений греческой геометрической оптики. Сам Архимед был не только теоретиком оптики, но и мастером оптических наблюдений, о чем свидетельствует описанная им методика определения видимого диаметра Солнца.

Ко II в. до н.э. теория построения изображений кривыми зеркалами достаточно продвинулась вперед, оправдывая предание, по которому Архимед поджег римский флот около Сиракуз, сконцентрировав солнечный свет “зажигательными” вогнутыми зеркалами. Кроме того, древним грекам было известно и зажигательное действие собирающих линз, описанное впервые в V в. до н.э. в комедии Аристофана “Облака”. О зажигательном действии стеклянных и хрустальных шаров пишут римляне Плиний и Сенека.

В эпоху поздней античности оптическими исследованиями занимались Геродот Александрийский и Птолемей .

Трактат Герона “Катоптрика”, содержит ряд новых моментов по сравнению с одноименными работами Евклида и Архимеда. В этом трактате Герон обосновывает прямолинейность световых лучей бесконечно большой скоростью их распространения, приводит доказательство закона отражения, основанное на предположении, что путь, проходимый светом, должен быть наименьшим из всех возможных.

В другом трактате - “О диоптре” - Герон описывает универсальный визирный инструмент – диоптру (как назвал его автор), сочетавший функции созданных гораздо позднее теодолита и секстанта.

Со времен Герона все ученые стали разделять оптику на катоптрику, т. е. науку об отражении, и диоптрику , т. е. науку об изменении направления световых лучей при попадании в прозрачные среды, например воду или стекло, или, как мы теперь говорим, о преломлении. Законы преломления изучались Евклидом и Аристотелем, но наиболее подробно исследовались со времен Клеомеда (50 г. до н.э.).

Таким образом, открытые в античности основные оптические эффекты определили развитие как фундаментальной, так и прикладной оптики и легли в основу количественных оптических исследований средних веков. Незнание строения глаза и механизма зрения не позволили ученым античного мира открыть возможность построения действительных изображений и, как следствие, ими не был создан ни один оптический прибор (диоптра Герона так и не нашла практического применения).

После античного периода развития науки о световых явлениях на протяжении почти 900 лет оптические исследования принесли мало нового. Возрождение античного знания и дальнейшее развитие науки началось в арабском мире.

Оптику арабы называли «илм ал-маназир» - наука о зрительных инструментах.

В то время “Оптика” Альхазена была первым серьезным исследованием, остававшимся вплоть до XVII века лучшим руководством, несмотря на дополнения и изменения, вносимые в него позднейшими исследователями. В своем трактате он не только устанавливает возможность получения действительных изображений с помощью зеркал и прозрачных преломляющих сред, но также опровергается теория окулярных пучков, и даются объяснения некоторым оптическим иллюзиям. Исследовал он и “прозрачные сферы” из горного хрусталя и стекла, а также их шаровые сегменты. На латинский язык трактат Альхазена был переведен только в 1572г.

Крупнейшим сочинением по оптике, написанным в средние века, была “Книга оптики” Ибн ал-Хасайма . На основе изучения анатомии глаза ученый рассматривает механизм зрения. Далее рассматриваются зрительное восприятие и обманы зрения и весьма подробно изучается отражение света от плоских, сферических, цилиндрических и конических зеркал и преломление света. Оптические исследования Ибн ал-Хасайма были основаны на исключительно высокой точности эксперимента и на широком использовании математических доказательств. Кроме “Книги оптики”, Ибн ал-Хасайма написал еще целый ряд оптических трактатов, в частности, “Книгу о зажигательной сфере”, лежащую в основе теории линз, два трактата о зажигательных зеркалах - упоминавшийся выше трактат о параболических зеркалах и трактат о сферических зеркалах, и “Книгу о форме затмений”, содержащую теорию камеры-обскуры. “Книга оптики” Ибн ал-Хасайма была переработана в ХIII в и была переведена на латинский язык под названием Opticae thesaurus (“Сокровище оптики”) и легла в основу оптических исследований ученых XIII-XIV вв. Вителло, Пеккама и Роджера Бэкона, а через них Кеплера, “Оптическая астрономия” которого носит подзаголовок “Добавление к Вителло”.

Независимо от Ибн ал-Хасайма камеру-обскуру рассматривал ал-Бируни в “Тенях”, где были впервые описаны также явления дифракции и интерференции света.

Создание линзы, также приходящееся на это время, является первой в истории попыткой расширить возможности сенсорного аппарата человека. Если бы арабы создали оптику и ничего больше, то и в этом случае они бы внесли важнейший вклад в науку.

В Европе после крушения Римской империи вплоть до X - XI веков культурная и научная жизнь переживала период затишья. В области оптики единственным важным достижением за это время было изобретение в XIII в. очков (первые очки были изобретены Сальвинио дели Арлеати в Италии в 1285 г.), тогда же появились наконец первые серьезные исследования по оптике.

Наиболее известны работы в этой области Роджера Бэкона , много внимания уделявшего преломлению и отражению в линзах и зеркалах. Он исследовал положение зажигательного фокуса сферического и параболического отражателя, математически доказал наличие продольной аберрации у вогнутого сферического зеркала, пришел к выводу “... что прозрачные тела могут быть так обработаны, что отдаленные предметы покажутся приближенными”.

Большое влияние на средневековые оптические исследования оказал написанный в 1271г. десятитомный трактат по оптике польского физика Вителло , в котором описаны многочисленные опыты и наблюдения за природными оптическими явлениями и разработаны важные для художников вопросы перспективы. Являясь в большой степени удачной компиляцией работ Евклида, Птолемея и Альхазена, трактат на долгие годы стал основой университетских оптических курсов, довольно слабо связанных с прикладными оптическими задачами. Этой оторванностью чистой науки от практики объясняется и тот факт, что величайшее оптическое изобретение - очки - были открыты в XIII веке не университетскими учеными, а итальянскими мастерами шлифования и полирования эмпирическим путем. Более того, известны негативные отзывы ученых-оптиков того времени на ношение очков: “Основная цель зрения - знать правду, линзы для очков дают возможность видеть предметы большими или меньшими, чем они есть в действительности, ... иной раз перевернутыми, деформированными и ошибочными, следовательно, они не дают возможности видеть действительность. Поэтому, если вы не хотите быть введенными в заблуждение, не пользуйтесь линзами”. Однако остановить развитие очкового ремесла было невозможно, и, начиная с конца XV века, происходит резкий сдвиг оптики в практическую область, во многом благодаря трудам Леонардо да Винчи .

Говоря о творчестве Леонардо, нельзя разделять его деятельность как ученого и инженера и его художественную деятельность. Сам он такое разделение не делал. Идея союза науки и практики, пронизывающая все энциклопедическое творчество Леонардо, проявилась и в его оптических исследованиях. В его “Атлантическом кодексе” и других манускриптах были поставлены и решены задачи построения хода лучей в глазе, рассмотрены вопросы аккомодации и адаптации глаза, дано научное объяснение действия линз, зеркал и очков, встречаются вопросы аберраций и рисунки каустических поверхностей, приведены результаты первых фотометрических исследований, описаны технологии изготовления линз и зеркал. Изучение бинокулярного зрения привело Леонардо да Винчи к созданию около 1500г. стереоскопа , он изобрел ряд осветительных устройств, в том числе ламповое стекло, мечтал о создании телескопа из очковых линз. В 1509г. им была предложена конструкция станка для шлифовки вогнутых зеркал, подробно описано изготовление параболических поверхностей.

В Нидерландах (1590 г.) потомственные оптики Захарий и Ханс Янсены смонтировали две выпуклые линзы внутри одной трубки (рис.1.), т. е. фактически создав первый микроскоп и заложив основы для создания сложных микроскопов.

Дело, начатое Леонадо да Винчи, было продолжено его соотечественником Джованни Баттста де ла Порта , посвятившим оптическим исследованиям два произведения: “Натуральная магия” и “О преломлении”. Он усовершенствовал камеру-обскуру , добавив собирающую линзу, и выдвинул идею проекционного фонаря . Вскоре де ла Порта делает попытку построения хода лучей в линзах и даже приводит оптическую систему телескопа , утверждая, что ему удалось видеть на большом расстоянии мелкие предметы, однако никаких доказательств не приводит. Свой приоритет в изобретении зрительной трубы он отстаивает в письме князю Федерико Чези, написанном в августе1609г., которое сопровождается рисунком трубы по “схеме Галилея”, однако в девятой книге “О преломлении”, на которую ссылается Порта, нет подтверждающих его слова сведений, поэтому вопрос о его приоритете в изобретении зрительной трубы является недоказанным. Первая зрительная труба появилась на рубеже XVI и XVII веков в Голландии, о чем сообщил в 1608г. очковых дел мастер Липперсгейм.

Это известие побудило Галилео Галилея через год в Падуе построить свой телескоп (рис.2.) и тем самым положить начало современной астрономии.

В 1610 году он опубликовал труд “Звездный вестник”, который стал самой ходкой научной книгой того времени. В ней он сжато и ясно излагал свои наблюдения. Книга вызвала огромную сенсацию. Надо сказать, что многие открытия Галилея получили признание в церковных кругах. (Папа Урбан VIII считался его другом.). Однако доминиканцы и иезуиты оказались сильнее папского покровительства. По их доносу в 1633 году Галилей был предан суду инквизиции в Риме и чуть было не разделил участь Бруно. Лишь ценой отречения от своих взглядов он спас себе жизнь. Но “Звездный вестник” послужил могучим стимулом к созданию разнообразных конструкций телескопов и других оптических приборов. Путем логических рассуждений Галилей пришел к выводу о необходимости сочетания выпуклой и вогнутой линзы для получения искомого эффекта увеличения. Он первым понял, что качество изготовления линз для очков и и для зрительных труб должно быть совершенно различным, усовершенствовал технологию изготовления линз, что позволило ему создать инструмент, увеличивающий в 32 раза, в то время как все существовавшие до него зрительные трубы давали увеличение лишь в 3 - 6 раз.

Галилею также принадлежит приоритет в конструировании микроскопа, который он создал, подбирая соответствующее расстояние между линзами, при котором оказывались увеличенными не удаленные, а близкие предметы. О наблюдении насекомых имеется запись от 1614г., а в 1624г. он посылает сконструированный им микроскоп Федерико Чези с описанием наводки на резкость. Отметим, что созданные во второй половине XVII в. Левенгуком однолинзовые микроскопы были намного проще и менее качественными.

После смерти Галилея должность придворного математика герцога Тосканского получает его ученик Эванджелиста Торричелли (1608-1647), которому суждено было открыть секрет контроля качества обработки линз. Научившись у своего великого учителя искусству шлифовки линз, он упорно ищет ответ на вопрос: как проверить точность изготовления линз? Так как в первой половине XVII века еще не были известны явления интерференции и дифракции, то результат работы шлифовальщиков целиком зависел от случая. В 1646г. им была сделана линза диаметром 83 мм, которая и сейчас относится к классу современной точной оптики. Письма Торричелли, датированные 1644г., доказывают, что это не было случайностью: “В конце концов... изобретение, касающееся стекол, у меня в руках. ... За несколько последних дней я один обработал шесть стекол, из которых два не уступали наилучшему из тысячи стекол, сделанных за тридцать лет Фонтаной ” (линзы неаполитанского мастера-оптика были самыми совершенными в то время). Хотя Торричелли так и не открыл свой секрет и не опубликовал ни одной работы по оптике, полагают, что он заметил интерференционные кольца, возникающие при притирке линзы с поверхностью формы и использовал их для оценки качества обрабатываемой поверхности. Кроме изготовления зрительных труб и телескопов, Торричелли занимался конструированием простых микроскопов, состоящих всего из одной крошечной линзы, которую он получал из капли стекла (расплавляя над пламенем свечи стеклянную палочку). Именно такие микроскопы получили затем широкое распространение благодаря виртуозности Антони ван Левенгука . Подобно тому, как в руках Галилея телескоп обнаружил тайну звезд, микроскоп в руках исследователей 17 века (кроме Левенгука это Мальпиги , Гук и другие) открыл двери в мир бесконечно малого. Насекомые, части растений, бактерии и т.д. - все это стало предметом исследования, что привело к появлению и расцвету многих биологических дисциплин

Фундамент современной научной оптики линз заложил выдающийся немецкий астрономИоганн Кеплер , родившийся в 1571г. При точном расчете оптимальных линз для любых целей существенно знать правильный закон преломления света в стекле. Этот закон еще не был известен, и, конечно, не знал его и Кеплер. И все же он придумал такие системы линз для телескопов, что даже в наши дни кеплеровский окуляр находит применение в современных оптических приборах. Помимо интенсивных занятий астрономией, он изобретает зрительную трубу, состоящую из двух положительных линз (телескоп Кеплера) с большим полем зрения и промежуточным перевернутым действительным изображением, в плоскости которого можно располагать визирующее устройство. В 1604г. он написал "Дополнение к Виттеллию", в котором четко описывает перевернутое изображение на сетчатке глаза, завершив исследования Альхазена и Леонардо да Винчи в области физиологии зрения. Здесь же он приводит формулу, связывающую фокусное расстояние линзы с положениями предмета и его изображениями на оптической оси, и вводит ряд новых терминов (сходимость и расходимость пучков , оптическая ось , фокус системы ). Однако его главным трудом по оптике стала "Диоптрика", написанная всего за два месяца 1610г. под впечатлением открытий Галилея. В 1611 г. Кеплер разработал схему много линзового микроскопа

Таким образом, в первом 10-летии XVII в. Кеплер научно объяснил ряд оптических явлений (отражение, преломление). Он впервые ввел понятие фокуса и дал глубокий анализ механизма зрения.

1642 год - год смерти Галилея и год рождения Ньютона . К этому году старая картина мира была разрушена, ее место заняли начальные положения новой. Ньютон разработал фундаментальные концепции новой картины мира, названной классической. Не менее значительны и его открытия в оптике. Уже в 26-летнем возрасте он становится преемником своего учителя Барроу в качестве профессора кафедры математики. Его первые лекции касались оптики. В них он изложил свои открытия и набросал корпускулярную теорию света, согласно которой свет представляет собой поток частиц, а не волны, как утверждали Гюйгенс и Гук.

В 1668 году Ньютон собственными руками построил отражательный телескоп (рис.3.)– и использовал его для наблюдений за спутниками Юпитера. Он, несомненно, ставил своей целью проверить, подчиняется ли движение этих спутников закону всемирного тяготения. При избрании в 1672 году в Королевское Общество Ньютон представил работы о телескопах и корпускулярную теорию света. Для рассмотрения работ по оптике была назначена комиссия из трех человек, включая Гука, который противопоставил ньютоновской свою теорию - волновую.

Ньютон первым попытался избежать помехи окрашивания объекта при рассмотрении его через телескоп (явление хроматической аберрации ). Благодаря блестящему сочетанию экспериментальной техники и логики он смог доказать, что цвета создаются не призмой или радугой, а являются компонентами обычного белого цвета.

Примерно в те же годы интерференцию света исследовал английский физик Роберт Гук . Он изучал цвета мыльных пленок и тонких пластинок из слюды. При этом он обнаружил, что эти цвета зависят от толщины мыльной пленки или слюдяной пластинки. Явление интерференции света в тонких пленках Гук объяснял тем, что от верхней и нижней поверхности тонкой, например мыльной, пленки происходит отражение световых волн, которые, попадая в глаз, производят ощущение различных цветов. Будучи разносторонним ученым, Гук занимался механикой, астрономией, оптикой, акустикой, геологией и анатомией, в 1655г. зарисовал срез пробки с ячейками, которые назвал «клетками».

Усовершенствование оптики позволило Антони ван Левенгуку (1632-1723) в 1674 г. изготовить линзы с увеличением, достаточным для проведения простых научных наблюдений (рис.4.). Наряду с Левенгуком в XVII в. сразу несколько ученых занимались микроскопией. Декарт в своей книге "Диоптрика" (1637 г.) описал сложный микроскоп, составленный из двух линз - плоско-вогнутой (окуляр) и двояковыпуклой (объектив).

Наблюдения Левенгука поставили человечество лицом к лицу с величайшей из тайн - тайной живого вещества. С этого времени микроскопия биологических объектов становится мощным двигателем науки.

В 1680 - Ливенгук открыл инфузории, красные кровяные тельца, сперматозоиды (совместно с Гаммом ), позднее он же открыл мир бактерий. Марчело Мальпиги (1628-1694) изучал развитие цыпленка в яйце. Он первым применил микроскоп для изучения строения мозга, сетчатки, нервов, селезенки, почек и др. Используя микроскоп со 180-кратным увеличением, описал (1661) сеть капиллярных сосудов, соединяющих артерии с венами.В 1666 наблюдал почечные канальцы и сформулировал первые представления о мочеобразовании. Мальпиги считают основателем анатомии беспозвоночных, начало которой он положил в своем «Трактате о тутовом шелкопряде». Открыл сосудистые элементы стебля, установил наличие восходящего и нисходящего токов веществ в растениях. Другие ботанические работы касались внешней анатомии растений: органов их размножения, листьев. Мальпиги – автор двухтомного труда «Анатомия растений» (1675–1679). Именем Мальпиги названы многие открытые им органы и структуры: мальпигиевы тельца (в почках и селезенке), мальпигиев слой (в коже), мальпигиевы сосуды.

XVII в. был временем исключительного напряжения сил. Далее события развивались гораздо более спокойно. Вообще XVIII столетие не блещет поражающими гениальными открытиями, несмотря на то, что это - эпоха организации научных исследований, основания академий во многих стран. Лондонское общество возникает незадолго до конца XVII, французское - приблизительно в те же годы; в 1725 г. Петр I учредил Петербургскую академию, и до 1750 г. появились академии практически во всех странах Европы. Несомненно, работа всюду велась огромная, но она была не столь видной. Так, по крайней мере, можно объяснить себе блеск XVII столетия по сравнению с XVIII-ым

На протяжении XVIII века из зоологии и ботаники выделились как самостоятельные науки микроскопическая анатомия , эмбриология , к 1800 году – гистология (выступил со своим учением французский анатом К.Биш (1801)). Огромную роль в развитии гистологии сыграла клеточная теория, которую сформулировали к 1839 г. Шлейден и Шванн

Бурное развитие науки требовало все больше микроскопической техники с все более высоким качеством оптики.

Первая труба Галилея, в которую он наблюдал мир Юпитера, и микроскоп Левенгука были простыми неахроматическими линзами. Ньютон был убежден, что вообще ахроматизация , уничтожение цветных каемок, невозможна.

Во всех сложных микроскопах XVII - XVIII вв. при увеличениях выше 120 - 150 раз сферическая и хроматическая аберрации сильно искажали изображение. Поэтому становится понятным то предпочтение, которое микроскописты того времени, начиная с А. Левенгука, отдавали простому однолинзовому микроскопу.

Опыты в этом направления все же делались, и Доллонду , английскому мастеру, удалось без всякой теории рядом удачных проб построить ахроматический объектив для зрительной трубы, а Эйлер теоретически объяснил ошибку Ньютона и вместе со своим учеником, академиком Фуссом , дал точный рецепт, как изготовить ахроматический микроскоп. Академик Петербургской академии Эпинус такой микроскоп выполнил. По описаниям инструмент этот весьма странного для нас и несовершенного вида. Он в 1 м длины, объектив у него фокусом в 18 см (не миллиметров) и его максимальное увеличение 70. Т.е., он дает меньшее увеличение, чем левенгуковы линзы.

Огромным препятствием в деле ахроматизации было отсутствие хорошего флинта .

Все оптические стекла отличаются друг от друга характером зависимости показателя преломления от длины волны. Основными характеристиками стекол являются показатель преломления для основной длины волны,общая дисперсия и коэффициент относительной дисперсии (число Аббе). Чем меньше число Аббе, тем больше дисперсия, то есть сильнее зависимость показателя преломления от длины волны. По числу Аббе оптические стекла делят на две группы:

- кроны ,

- флинты.

Комбинация стекол, принадлежащим различным группам, дает возможность создавать высококачественные оптические системы. Кроны и флинты - это основные группы оптических стекол. Ахроматизация требует двух стекол: крона и флинта. Последний представляет стекло, в котором одной из основных частей является тяжелая окись свинца, обладающая непропорционально большой дисперсией. Вследствие тяжести при плавке она ложится на дно горшка, а так как мешать стекло в то время не умели, то стекла получались очень случайного состава и очень неоднородные. Мешали тогда, погружая на железной палке картошку и куски дерева так, чтобы они доходили до дна горшка. Сгорающая масса пузырилась, бурлила и хоть отчасти перемешивала стекло.

Дальнейшие шаги на пути ахроматизации микроскопа были предприняты одновременно разными мастерами в Германии, Англии и Франции.

Громадным успехом в деле оптики было начинание швейцарца Гинана , который всю свою жизнь положил на выработку однородного стекла. Он погружал в расплавленное стекло полый шамотный конус и железным крюком водил его в горшке, водил часами, иногда днями. Это те приемы перемешивания, которые по существу применяются и до сих пор. Потомки Гинана завезли его метод в Париж (Бонтон ) и Бирмингам (братья Ченсы ), где секреты Гинана тщательно хранились до мировой войны 1914 г.

В 1824 г. громадный успех микроскопа дала простая практическая идея Саллига , воспроизведенная французской фирмой Шевалье . Объектив, раньше состоявший из одной линзы, расчленен на части, его начали изготовлять из многих ахроматических линз . Так, увеличив число параметров, появилась возможность исправления ошибок оптической системы, и стало впервые возможным говорить уже по настоящему о больших увеличениях - в 500 и даже 1000 раз. Граница предельного видения передвинулась от двух к одному микрону.

Биология ответила быстрым успехом.

Влияние клеточной теории и успехи микроскопической техники начиная с 40-х годов XIX столетия вызвали бурное развитие цитологических исследований . Ботаники и зоологи делали важнейшие открытия в области строения и развития клеток. В сущности, тогда именно возникают те науки, которые есть «микроскопические» по существу - цитология - наука о клетке и бактериология (микробиология) .

Микроскопические фирмы Oberhauser и Hartnack , Chevalier , Nachet , Ross и особенно Amici состязаются друг с другом, кто лучше приготовит сложный объектив, составленный из многих линз. Чисто эмпирически определяются число линз , их расстояния и кривизна их поверхностей . В громадной практике соревнующихся выясняется, что особенное значение для видения мельчайших объектов имеет величина угла , под которым лучи вступают в первое стекло объектива.

Впереди всех идет Амичи , который довел этот угол до 100° и более. Он впервые применяет иммерсию. В 1827 г. Амичи разрабатывает апланатический фронтальный сегмент . Этот флорентийский профессор физики и делатель микроскопов, лидирует в то время среди всех изобретателей в микроскопии.

1846 году в это состязание включается Карл Цейсс , создав в Йене мастерскую точной механики и оптики, и с 1847 приступил к серийному производству микроскопов. В результате в середине XIX столетия граница видимости от одного микрона отступила до полумикрона.

В 70-е годы благодаря деятельности доктора Эрнста Аббе (1840-1905) создание микроскопов получило теоретическую основу.

Во времена до Аббе микроскопов не рассчитывали, а усовершенствовали линзы объектива путем постепенных проб. Если взять самую передовую книгу по микроскопии того времени - Гартинга 1859 г., то в ней нет почти ни одной формулы. В ней масса интересных рецептов, как нужно делать микроскопы, масса исторических сведений. Но чувствуется, что искусство делать микроскопы было тогда именно искусством, а не техническим предприятием, основанным на точных научных данных.

Все это изменил Аббе. Был сформирован штаб ученых, оптиков и вычислителей, работающих при фирме Цейсса. В капитальных сочинениях Аббе дана теория микроскопа и вообще оптических приборов. Выработана система измерений, определяющих качество микроскопа. Аббе провел такую работу, что позволило ему в 1872 году предложить целый ряд объективов, включающий 17 типов, в том числе три иммерсионных системы, позволивших получить еще невиданное до того времени качество изображения. Все это в результате привело к тому, что:

Во-первых, предельное разрешение передвинулось от ½ микрона до ¼ микрона.

Во-вторых, в построении микроскопа вместо грубой эмпирики введена высокая научность.

В-третьих, наконец, показаны пределы возможного светового микроскопа: нельзя видеть объекты меньше полудлины волны - утверждает дифракционная теория Аббе, - и нельзя получить изображения меньше полудлины волны, т.е. меньше 0,2 микрона (формула теоретически возможной разрешающей способности микроскопа – d = λ/2n sinα).

Когда выяснилось, что существующие сорта стекол не могут удовлетворить научным требованиям, планомерно были созданы новые сорта оптического стекла. На фирме Цейса появляется еще один целеустремленный ученый, химик в области стекла Отто Шотт (1851-1935). Многочисленные эксперименты, необходимые для получения новых сортов стекол и определения их свойств, были связаны с большими затратами. В результате этого выиграла не только микроскопия, но и был основан всемирно известный Иенский стекольный завод «Schott&Genossen» . Вне тайн наследников Гинана - Пара-Мантуа в Париже и Ченсов в Бирмингаме, именно Шоттом были вновь разработаны методы плавки оптического стекла.

Профессор Август Келер (1866-1948) был первоначально сотрудником Карла Цейсса в Иене и опубликовал уже в 1893 году предписания по правильному освещению микроскопических препаратов.

Он разработал великолепно продуманную систему освещения для микроскопа, позволяющую на практике использовать полную разрешающую способность объективов Аббе, в частности для микрофотографии. Введенный Келером вид освещения за счет применения конденсора, разработанного Аббе, дает возможность получения равномерного освещения объекта и изображения, а также добиться повышения разрешающей способности.

Таким образом, к концу XIX века световые микроскопы приблизились к теоретически допустимому разрешению. Видимая область спектра находится в переделах 0,4-0,7 мкм, а т.к. теоретически разрешение составляет ½ длины волны, то 0,2 мкм является пределом для разрешения светового микроскопа.

В дальнейшие годы шла разработка новых методов контраста в микроскопии – темное поле, фазовый контраст, английский оптик Г. Сорби создал первый микроскоп для наблюдения объектов в поляризованном свете , флуоресцентный (люминесцентный) метод (создан в1911 г. русским ботаником М.С. Цветом), интерференционный контраст (первый микроскоп, основанный на основе этого метода разрабатывает и создает в 1930 г. Лебедев) и другие.

Основы оптики

Все оптические явления, в том числе и формирование изображения в микроскопе, изучает оптика - учение о физических явлениях, связанных с распространением и взаимодействием с веществом электромагнитных волн, длина которых лежит в интервале 10 -4 - 10 -9 м.

На рис. 5. показан участок шкалы электромагнитного излучения в длинах волн, соответствующий оптическому диапазону. Границы оптического диапазона, а также границы между его участками установлены на основе экспериментальных данных и не являются абсолютно точными.

Рис. 5. Оптический диапазон .

Большое значение этой области спектра электромагнитных волн для практической деятельности человека обусловлено прежде всего тем, что внутри нее в узком интервале длин волн от 0,4 до 0,7 мкм лежит участок видимого света, непосредственно воспринимаемого человеческим глазом (рис.6).

Для частот, более низких, чем частоты оптического диапазона, нельзя построить оптические системы по законам геометрической оптики, а электромагнитное излучение более высоких частот, как правило, либо проходит сквозь любое вещество, либо разрушает его.

Специфика оптического диапазона заключается в его двух главных особенностях:

В оптическом диапазоне выполняются законы геометрической оптики,

В оптическом диапазоне свет очень слабо взаимодействует с веществом.

Наиболее полное представление о формировании изображения дает т.н. геометрическая оптика, которая основывается на представлении о прямолинейном распространении света. Геометрическая оптика, отвлекаясь от волновой природы света, описывает его распространение с помощью лучей.

И сейчас попытаемся разобрать основные положения геометрической оптики

Луч - это прямая или кривая линия, вдоль которой распространяется энергия светового поля. В волновой оптике световой луч совпадает с направлением нормали к волновому фронту, а в корпускулярной – с траекторией движения частицы. В случае точечного источника в однородной среде световые лучи представляют собой прямые линии, выходящие из источника во всех направлениях. На границах раздела однородных сред направление световых лучей может изменяться вследствие отражения или преломления, но в каждой из сред они остаются прямыми. Также в соответствии с опытом принимается, что при этом направление световых лучей не зависит от интенсивности света.

Отражение .

Когда свет отражается от полированной плоской поверхности , угол падения (измеренный от нормали к поверхности) равен углу отражения (рис. 7), причем отраженный луч, нормаль и падающий луч лежат в одной плоскости. Если на плоское зеркало падает световой пучок, то при отражении форма пучка не изменяется; он лишь распространяется в другом направлении. Поэтому, глядя в зеркало, можно видеть изображение источника света (или освещенного предмета), причем изображение кажется таким же, как и исходный объект, но находящимся за зеркалом на расстоянии, равном расстоянию от объекта до зеркала. Прямая, проходящая через точечный объект и его изображение, перпендикулярна зеркалу.

Отражение от кривых поверхностей происходит по тем же законам, что и от прямых, причем нормаль в точке отражения проводится перпендикулярно касательной плоскости в этой точке. Простейший, но самый важный случай – отражение от сферических поверхностей. В этом случае нормали совпадают с радиусами. Здесь возможны два варианта:

1. Вогнутые зеркала : свет падает изнутри на поверхность сферы. Когда пучок параллельных лучей падает на вогнутое зеркало (рис. 8,а ), отраженные лучи пересекаются в точке, расположенной на половине расстояния между зеркалом и центром его кривизны. Эта точка называется фокусом зеркала , а расстояние между зеркалом и этой точкой – фокусным расстоянием . Расстояние s от объекта до зеркала, расстояние s  от зеркала до изображения и фокусное расстояние f связаны формулой 1/f = (1/s ) + (1/s ), где все величины следует считать положительными, если их измерять влево от зеркала, как на рис. 9,а . Когда объект находится на расстоянии, превышающем фокусное, форми

Для того чтобы понять, что происходит в микро– и мегамире, требуются сложно устроенные приборы. Первыми шагами на пути познания этих миров были изобретения соответственно микроскопа и телескопа.

Еще в Средневековье было известно, что с помощью искривлённого стекла можно изменять зрительное восприятие. Активным пропагандистом использования луп и линз был английский монах Роджер Бэкон , живший в XIII в. Примерно в то же время люди стали пользоваться очками для исправления дефектов зрения. Однако все эти примитивные оптические приборы не давали возможности увидеть что-то новое по сравнению с тем, что может видеть человек с нормальным зрением. Попытки усилить увеличивающее действие линз привели к изобретению так называемого составного микроскопа – прибора, состоящего из двух линз (объектива и окуляра), последовательно проходя через которые свет создаёт на чувствительной оболочке глаза увеличенное изображение рассматриваемого предмета. Это произошло в конце XVI или начале XVII в., но кто был первым изобретателем такого микроскопа, в точности неизвестно. Во всяком случае, в 1609 г. Галилей впервые продемонстрировал научному обществу сконструированный им прибор, который он назвал «оккиолино», что значит «маленький глаз». Возможно, это и был первый микроскоп, хотя позже находились и другие претенденты на это изобретение. Само же слово «микроскоп» было придумано другом Галилея Джованни Фабером по аналогии с уже существовавшим в то время телескопом.

Однако первые микроскопы не позволяли получать чёткое изображение из-за несовершенной шлифовки стёкол. Несмотря на это, Роберт Гук в 1664 г., исследуя срез пробки, открыл клетки. Подлинную революцию в развитии микроскопических исследований произвёл в 1674 г. голландец Антони ван Левенгук (рис. 95, А).

Рис. 95. Микроскопы: А – микроскоп Левенгука был крайне прост и представлял собой пластинку, в центре которой была линза; Б – современный световой микроскоп; В – электронный микроскоп

Работая сторожем в местной ратуше, он во время дежурства упражнялся в шлифовании линз и вскоре достиг такого совершенства, что, просто взглянув на каплю воды через отшлифованную им линзу при подходящем освещении, увидел совершенно новый мир. Это был мир никому не известных до тех пор живых организмов, которых Левенгук назвал «зверушками». За это открытие он был избран членом-корреспондентом Лондонского Королевского общества, хотя совершенно не разбирался ни в какой науке.

В дальнейшем усовершенствованная техника шлифовки линз позволила увеличить разрешающую способность составного микроскопа (рис. 95, Б). Этим термином обозначают способность микроскопа создавать чёткое раздельное изображение двух точек объекта. Проще говоря, это наименьшие размеры предмета, который можно различить в микроскопе. Всё, что мы видим вообще и в микроскопе в частности, является отражением света от рассматриваемого предмета. Но мы знаем, что свет представляет собой электромагнитную волну, которая обладает такими качествами, как частота и длина. Кроме того, такие волны, как и все остальные, обладают свойством дифракции, т. е. способностью огибать мелкие предметы. Из-за дифракции оказывается невозможным различить под микроскопом предметы, меньшие, чем половина длины волны отражённого света. Напомним, что длина волны электромагнитного излучения в видимой части спектра приблизительно составляет от 400 до 700 нм. Это значит, что традиционные оптические микроскопы, которые используют в качестве источника освещения видимый свет, могут позволить нам увидеть объекты, размеры которых не меньше этой величины (рис. 96). Поэтому максимальное увеличение, которого можно добиться с их помощью, не может быть больше, чем 2000.

Для того чтобы повысить разрешающую способность, требуется осветить рассматриваемый объект излучением, длина волны которого меньше, чем у видимого света.

Рис. 96. Глаз стрекозы, видимый при наблюдении невооруженным глазом (А) и под микроскопом (Б)

Рис. 97. Телескоп Галилея.

Таким излучением оказались электроны. В начале XX в. было обнаружено, что электрон можно рассматривать не только как частицу, но и как излучение, с длиной волны, находящейся в диапазоне рентгеновских лучей. А так как электроны, в отличие от света, имеют ещё и электрические заряды, их лучи можно сфокусировать с помощью магнитных линз. На основе этих представлений в 1931 г. началась разработка электронного микроскопа, позволяющего получать изображение объектов с увеличением до миллиона раз (рис. 95, В). В дальнейшем техника создания микроскопов постоянно совершенствовалась, и сейчас современные микроскопы позволяют увидеть даже отдельные атомы.

Исследование объектов, находящихся на больших расстояниях от Земли и принадлежащих к мегамиру, началось с изобретения телескопа (рис. 97). Телескопу предшествовала подзорная или, как её называли, зрительная труба, находившаяся в употреблении с начала XVII в. Однако она не получила большого распространения до того момента, как попала в руки Галилею. Он усовершенствовал это приспособление и впервые в 1609 г. догадался направить эту трубу на небо, превратив её тем самым в телескоп. Хотя прибор Галилея был достаточно примитивным, учёному удалось за несколько лет повысить его увеличивающую способность с трёх– до тридцатидвухкратной, что позволило ему сделать ряд важных открытий. Подробнее о последующих усовершенствованиях телескопа и проводимых с их помощью исследованиях будет рассказано в следующей главе. А сейчас мы продолжим знакомиться с устройством микромира.

<<< Назад

Вперед >>>