Budowa mikroskopu i sposób wyznaczania powiększeń

I.Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i obsługą mikroskopu metalograficznego.

II. Wiadomości uzupełniające.

Budowa mikroskopu i jego zdolność rozdzielcza.

Mikroskop złożony jest z dwu zbierających zespołów soczewek, umieszczonych na końcach

rury zwanej tubusem. Zespół soczewek, zazwyczaj o krótkiej ogniskowej, zwrócony do

przedmiotu nazywa się obiektywem, drugi zaś, przez który dokonuje się obserwacji, nosi

nazwę okularu. Obiektyw tworzy wewnątrz tubusa rzeczywisty, powiększony i odwrócony

obraz, który ogląda się za pomocą okularu. Wskutek istnienia obydwu zespołów obserwuje

się pozorny, powiększony i prosty obraz. Całkowite powiększenie mikroskopu jest iloczynem

powiększenia obiektywu i okularu.

Do optycznego wyposażenia mikroskopu należy również urządzenie oświetlające, od którego

zależy jasność, ostrość i kontrastowość obrazu. Na jakość obrazu wpływa także dokładność

prostopadłego ustawienia stolika względem osi optycznej tubusa mikroskopu. W tym celu

zespoły te mocowane są na sztywnym statywie, który jest wyposażony w mechaniczne

elementy regulacyjne oraz urządzenia służące do łatwej wymiany obiektywów oraz regulacji

oświetlenia.

Powiększenie mikroskopu jest, jak powiedziano, iloczynem powiększenia obiektywu i

okularu. Na podstawie tego stwierdzenia można by błędnie wnioskować, że przez

odpowiedni dobór obiektywu i okularu otrzyma się dowolnie duże powiększenie. W

rzeczywistości jednak rozmiary szczegółu, które można obserwować za pomocą mikroskopu,

są nie mniejsze od pewnych określonych wartości, ograniczonych falowym charakterem

światła.

Najmniejsza odległość d dwóch punktów, które można jeszcze rozróżnić z użyciem danego

mikroskopu, nosi nazwę zdolności rozdzielczej. Zachodzi przy tym związek:

n sin = / d

w którym: n - współczynnik załamania światła ( szkła optycznego ),

- kąt zmiany kierunku promienia

- długość fali świetlnej,

d - zdolność rozdzielcza.

Dla zmniejszenia zdolności rozdzielczej mikroskopu pomiędzy zgład i obiektyw wprowadza

się kroplę przezroczystej cieczy, tzw. cieczy imersyjnej, o bardzo dużym współczynniku

załamania n światła ( jest to zazwyczaj olej cedrowy ). Zwiększenie wartości n powoduje

zmniejszenie d, zgodnie z podanym uprzednio wzorem:

d = / n sin

Wartość A = n sin = n sin /2 nosi nazwę apertury A, która jest wielkością charakteryzującą

dany obiektyw. Im większa apertura A, tym mniejsze szczegóły można rozróżniać w obrazie

mikroskopowym.

Zmianę powiększenia mikroskopu można otrzymać przez zmianą obiektywu lub okularu,

zmianę odległości aparatu fotograficznego ( w przypadku fotografowania objektu ) lub też

przez zmianę położenia ekranu ( w przypadku projekcji ). Wzrostowi powiększenia powinien

jednak towarzyszyć wzrost liczby szczegółów w obserwowanym obrazie. Tak uzyskana

powiększenie określa się mianem powiększenia użytecznego.

Obiektyw i okular.

Układy optyczne zwykle są obarczone wadami odwzorowania obrazu przedmiotu. Obiektyw

i okular mikroskopu są najbardziej wrażliwe na wady aberracji sferycznej i chromatycznej.

Aberracja sferyczna jest wadą układu optycznego polegającą na tym, że promienie

przecinają się nie w jednym punkcie, lecz na pewnym obszarze. Powoduje ona, że uzyskany

obraz ma niejednakową ostrość w swoim centrum i na brzegach. Aberracja chromatyczna

jest spowodowana rozszczepieniem wiązki białego światła po przejściu przez soczewkę,

wskutek czego otrzymany obraz składa się z wielu nie pokrywających się ze sobą

różnobarwnych obrazów. Wady te kompensuje się stosując układy kilku soczewek

wykonanych z różnych gatunków szkła, o różnych krzywiznach. Obiektywy wykonuje się o

powiększeniu własnym 5 120 x. Wielkości charakterystyczne obiektywu ( rodzaj obiektywu,

apertura oraz powiększenie własne ) są zazwyczaj podawane na oprawie.

W badaniach metalograficznych stosuje się zazwyczaj obiektywy suche do pracy w powietrzu

( n = 1 ); do dużych powiększeń są używane obiektywy immersyjne. W objektywach suchych

największa apertura wynosi A = 1,4. Okulary w mikroskopach służą nie tylko do

powiększania obrazu utworzonego przez obiektyw, lecz także korygują jego błędy optyczne.

Okulary o najprostszej budowie składają się z dwu płasko wypukłych soczewek, pomiędzy

którymi jest umieszczona kołowa przesłona. Są to okulary Huyghensa. Stosuje się je

najczęściej do obserwacji bezpośredniej. Okulary Huyghensa nie korygują wad optycznych

obiektywu i dlatego dawany przez nie obraz jest ostry tylko w środku, brzegi zaś rozmyte.

Wady te są korygowane przez układy bardziej złożone.

Urządzenia oświetlające.

W mikroskopach metalograficznych urządzenie oświetlające składa się z silnego źródła

światła oraz odpowiedniego układu optycznego, doprowadzającego światło do miejsca

obserwowanego. Jako źródło światła najczęściej stosuje się niskowoltową żarówkę ze ściśle

zwiniętymi włóknami, tworzącymi prawie punktowe źródło. Stosuje się także inne rodzaje

lamp, np. łukowe, rtęciowe itp. Promienie wychodzące ze źródła światła skupia się za

pomocą kondensora na otworze układu oświetlającego. Oświetlacz kieruje promienie światła

na dany przedmiot przez obiektyw - za pośrednictwem płytki szklanej lub pryzmatu.

Promienie świetlne padające na płytkę szklaną półprzezroczystą , nachyloną pod kątem 45o,

częściowo przez nią przechodzą, częściowo się od niej odbijają i przez obiektyw docierają

do powierzchni zgładu . Po odbiciu się od tej powierzchni promienie ponownie przechodzą

przez obiektyw, a następnie są kierowane przez pryzmat do okularu, skąd docierają do oka

obserwatora. Zastosowanie pryzmatu daje obraz jaśniejszy i bardziej kontrastowy, lecz

zdolność rozdzielcza obiektywu jest mniejsza, ponieważ pryzmat przysłania połowę jego

otworu czynnego.

Opisane układy umożliwiają obserwację przedmiotu w tzw. jasnym polu widzenia. Przy

skośnym skierowaniu promieni na powierzchnię zgładu można obserwować w tzw. ciemnym

polu widzenia. Otrzymany w ten sposób obraz jest jak gdyby negatywem obrazu w polu

jasnym. Przy tym sposobie oświetlacz kieruje promienie ukośnie poza obiektywem; do

obiektywu trafiają więc tylko promienie odbite, te, które na swej drodze spotkały szczegóły

rozpraszające światło, jak granice ziarn, wydzieleń, wtrąceń, rysy itp. Inne płaszczyzny dają

obraz ciemniejszy. Środkowa część cylindrycznej wiązki promieni jest przysłonięta kołową

przesłoną. Wiązka promieni po odbiciu od pierścieniowego zwierciadła biegnie poza

obiektywem, załamuje się w zwierciadle parabolicznym i pada skośnie na powierzchnię zgładu

. Obserwacje w ciemnym polu widzenia przeprowadza się dla wydobycia szczegółów

niewidocznych w polu jasnym. Wyznaczanie powiększenia na matówce mikroskopu.

W celu wyznaczenia wartości powiększenia uzyskiwanego na matówce mikroskopu w

miejsce badanej próbki wstawia się podziałkę mikrometryczną ( zwykle jest to 1 mm

podzielony na 100 części ). Otrzymany na matówce obraz tej podziałki należy dokładnie

zmierzyć, tj. wyznaczyć np. odległość między dwiema sąsiednimi kreskami. Uzyskaną

wartość należy podzielić przez 0,01 mm; otrzymany wynik jest wartością powiększenia

uzyskiwanego na matówce.

Uwaga: zwykle w celu zwiększenia dokładności pomiaru powiększenia mierzy się odległość

między skrajnymi kreskami widocznymi na ekranie; otrzymany wynik dzieli się wówczas przez

liczbę działek. Podobnie przy fotografowaniu otrzymanych obrazów rozmiary poszczególnych

wad można określić przez porównanie fotografii wady z fotografią podziałki mikrometrycznej,

wykonaną w tych samych warunkach.

III. Przebieg ćwiczenia.

1.Zapoznać się z obsługą oraz budową mikroskopu metalograficznego.

2.Zestawić wyposażenie optyczne mikroskopu, określić wielkości charakterystyczne

obiektywów i okularów oraz wyznaczyć wartości uzyskiwanych powiększeń.

3.Wyznaczyć powiększenie fotograficzne na matówce mikroskopu za pomocą podziałki

mikrometrycznej oraz wyznaczyć rozmiary dowolnego szczegółu wtrącenia lub ziarna na

zgładzie metalograficznym.

4.Wykonać zdjęcie fotograficzne obserwowanego szczegółu.

IV. Uwagi do sprawozdania.

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

a / narysowany schemat mikroskopu i biegu promieni,

b / podany krótki opis mikroskopu i jego obsługi,

c / narysowane struktury obserwowanych próbek,

d / uwagi i wnioski.

V. Dodatkowe pomoce nauczania.

W trakcie omawiania mikroskopu, jego budowy, zasady działania, obsługi i wyznaczania

powiększeń należy posłużyć się następującymi pomocami:

a / prospekty i katalogi mikroskopów różnych firm,

b / plansze poglądowe i schematy mikroskopów.