Каковы бы ни были оптические устройства, все они рассчитаны на глаз человека. Это тоже оптический прибор. Его оптическую систему можно сравнить с оптической системой фотоаппарата. С помощью простейшего объектива (двояковыпуклой одиночной линзы) предмет, светящийся или отражающий лучи других источников света, может быть изображен в любой плоскости.
Объектив фотоаппарата передает изображение на фотопластинку, а оптика глаза — на глазную сетчатку, своего рода светочувствительный слой, передающий изображение в мозг. Объектив фотоаппарата, как правило, подвижен, так как изображения предметов, находящихся на разном расстоянии от аппарата, можно передать на фотопластинку, только перемещая объектив вдоль его оптической оси. Глазная линза — хрусталик — изменяет с помощью особых мышц кривизну своей поверхности. Это дает возможность хрусталику, оставаясь неподвижным относительно сетчатки, изображать на ней по-разному удаленные от глаза предметы.
Изображения предметов можно получить не только с помощью световых лучей, но и применив пучки заряженных частиц, например электронов. Для этого и служит электронный микроскоп.Допустим, нам нужно изучить вирусы, невидимые в самые лучшие оптические микроскопы. Каплю воды с вирусами наносят на очень тонкую коллодиевую пленку толщиной всего в 0,01 мк. Пленка высушивается и закладывается на так называемый предметный столик электронного микроскопа. На нее направляют параллельный пучок электронов. Тело вируса неоднородно, и разные его части рассеивают электроны по-разному. Чем сильнее рассеиваются электроны, проходящие через какую-либо часть вируса, тем меньшая доля их проходит через отверстие DD— апертурную диафрагму микроскопа. Электронная линза L собирает в точке В электроны, вышедшие из точки А расходящимся пучком, и так точку за точкой дает электронное изображение предмета на светящемся под действием электронов экране S. Наименьшая плотность электронов, падающих на экран, будет в тех местах изображения, которые соответствуют наиболее плотным, а значит, и рассеивающим электроны частям вируса. Эти места на экране будут темными. Менее плотные и менее рассеивающие части вируса изобразятся как светлые участки.
Положите двухкопеечную монету на закопченное стекло, отставьте это стекло на 20 см от глаза и посмотрите сквозь него на Солнце. Двигая по стеклу монету, вы закроете ею Солнце. Гигантское Солнце удалено от нас на 150 млн. км, но его изображение на сетчатке глаза в десять раз меньше, чем изображение двухкопеечной монеты, отстоящей от глаза на 20 см. Это объясняется тем, что Солнце мы видим под углом зрения 31', а монету под углом примерно в десять раз большим —5°. Лучи, идущие от контуров какого-либо предмета к зрачку, образуют угол, под которым мы видим предмет. Им и определяется видимая в глазе величина этого предмета. Если глаз видит две точки под углом, меньшим чем 1', то они сливаются. Оптики определяют это свойство глаза так: разрешающая способность глаза не превышает одну угловую минуту. Хрусталик глаза не может изобразить предмет на сетчатке, если этот предмет отстоит от глаза меньше чем на 10 см. Максимально возможная кривизна хрусталика недостаточна для этого.
Чтобы видеть очень малые предметы под большим углом зрения, изобретен микроскоп.Современные биологические микроскопы увеличивают предметы от 400 до 2000 раз. Больше чем в 2000 раз никакой оптический микроскоп увеличить не может, потому что размеры предметов, рассматриваемых в микроскоп, должны быть сравнимы с длиной волны того света, которым освещен объект (рассматриваемый предмет). Иначе говоря, размеры деталей предмета, различимые в оптический микроскоп, определяются формулой:
d=0,61/A.
В этой формуле А приблизительно равно единице. Для золеного света величина d равна 0,3 мк. Чтобы видеть предмет такого размера под углом зрения, большим чем 1', достаточно увеличить его в 1000 раз. Если добиться большего увеличения, никаких новых подробностей в изображении не обнаружится. Попробуйте посмотреть через сильную лупу на фотографию, напечатанную в газете. Новых деталей вы не увидите, но изображение потеряет четкость. Излишнее увеличение не помогает. Так же и в микроскопе: слишком большое увеличение не поможет рассмотреть предмет, размеры которого меньше, чем световая волна. Такие предметы свет огибает по законам дифракции света.
А если освещать предмет ультрафиолетовым излучением? Ведь длина волны ультрафиолетовых лучей короче, чем у видимых лучей. Да, существуют такие микроскопы, но на этом много не выиграешь.