Beugung an Spalt und Gitter, Auflösungsvermögen des Mikroskops

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1 1 Beugung an palt und Gitter, Auflösungsvermögen des Mikroskops 1 Einleitung Das Mikroskop ist in Medizin, Technik und Naturwissenschaft ein wichtiges Werkzeug um Informationen über Objekte auf Mikrometerskala zu erhalten. Das Auflösungsvermögen des Mikroskops ist jedoch nicht über die Wellenlänge des verwendeten Lichts hinaus steigerbar. Der Praktikumsversuch soll dieses Phänomens verständlich machen und zeigen, wie die Auflösungsgrenze des Mikroskops mit der Wellennatur des Lichts zusammenhängt. 2 Versuchsvorbereitung Abbildung mit einer ammellinse, Abbildungsgleichung und Vergrößerung, Bildweite, Gegenstandsweite, numerische Apertur, Wellenlänge, Farbe, Kohärenzlänge, Interferenz, Huygen sches Prinzip, Beugung am Einzelspalt, Doppelspalt und Gitter trahlenoptik: Konstruieren ie das Bild an einer ammellinse, skizzieren ie den trahlengang im Mikroskop, Beantworten ie die Frage zu Abb. 2. Wellenoptik: kizzieren ie die Beugung am Doppelspalt, wie hängt die Richtung zum ersten Beugungsmaximum vom Abstand der palte und von der Wellenlänge des Lichts ab. Deuten ie letzteres für blaues und rotes Licht in ihrer Zeichnung an. Was ändert sich bei der Beugung am Einzelspalt? Zeichnen ie den trahlengang vor dem Mikroskopobjektiv aus Abb. 6 und zeigen ie, wie man auf Gln. 2 kommt. 2.1 Geometrische Optik Im Rahmen der geometrischen Optik wird die Ausbreitung von Licht durch trahlen beschrieben, die sich im Vakuum oder in Luft geradlinig ausbreiten. Trifft der trahl auf ein Hindernis, kann er gebrochen, reflektiert oder absorbiert werden. Die Brechung an einer sphärischen (Bi)konvexlinse führt dazu, dass parallele Lichtstrahlen in einem Brennpunkt gebündelt werden wie in Abbildung 1 gezeigt. Der Abstand dieses Brennpunktes von der Linse wird als Brennweite f bezeichnet. Aus dieser Eigenschaft lässt sich, wie in Abbildung 2 gezeigt, die Abbildung eines Gegenstandes an einer Linse konstruieren: Der obere der beiden eingezeichneten trahlen verläuft parallel zur optischen Achse, schneidet diese also im Brennpunkt. Der Mittelstrahl wird nicht abgelenkt. Um ein vergrößertes Bild zu erreichen, muss der Gegenstand also zwischen ein und zwei Brennweiten von der Linse entfernt stehen. Im Prinzip lässt sich mit einer einzelnen Linse eine beliebig hohe Vergrößerung erreichen. Allerdings werden die Abmessungen eines solchen Aufbaus beliebig groß und das Bild lichtschwach, da sich das vom Gegenstand ausgehende Licht auf ein großes Bild verteilt. Diese Probleme können durch die Kombinationen von Linsen in Mikroskop oder Teleskop weitgehend vermieden werden. Allerdings ist die Auflösung dieser Instrumente grundsätzlich durch die Welleneigenschaften des verwendeten Lichts begrenzt, wie im folgenden Abschnitt dargestellt wird. a) b) f optische Achse f Abbildung 1: a) Brechung paralleler Lichstrahlen an einer Linse. b) Umkehrbarkeit des trahlengangs in der Optik.

2 2 Versuchsvorbereitung a) -f f b) -f f c) -2f -f f d) -2f -f f Gegenstand Bild Abbildung 2: Abbildung durch eine Linse: Entsteht bei a) ein Bild? Welche optische Instrumente verwenden (Objektiv-)Linsen in der Anordnung a), c) bzw. d)? 2.2 Wellenoptik Licht ist eine elektromagnetische Welle, seine Frequenz f bestimmt u. a. den Farbeindruck, den wir von Gegenständen haben. Die Wellenlänge λ ergibt sich aus der Beziehung c = λ f (Welcher Wellenlängenbereich ist für Menschen sichtbar? Woran erkennt man, dass die Frequenz und nicht die Wellenlänge für den Farbeindruck enscheidend ist?) Um Intensitätsverteilungen auf sub-mikrometerskala zu beschreiben, müssen Welleneigenschaften berücksichtigt werden. Betrachten wir zwei Objekte im Abstand g, z. B. die beiden palte in Abbildung 3, die von einem Mikroskop getrennt aufgelöst werden sollen: Wenn die Ausdehnung der Objekten von der Größenordnung der Wellenlänge ist, wird ihre truktur nicht aufgelöst und sie streuen Licht annähernd isotrop in alle Richtungen. Hinter den beiden Objekten bildet sich das dargestellte Wellenmuster aus. Hinter den beiden palten ergeben sich Beugunsmaxima und -minima. Diese sind die Folge der Überlagerung der Wellen, die von den beiden palten ausgehen. Je nach Gangunterschied x können sich diese gegenseitig verstärken (konstruktive Interferenz) oder abschwächen (destruktive Interferenz), wie in Abbildung 4 gezeigt. Im Falle konstruktiver Interferenz treten Intensitätsmaxima auf, also dann, wenn ein Maximum eines Wellenzuges auf ein Maximum des anderen Wellenzuges trifft. Der Gangunterschied, der zwischen den Wellen aus dem Doppelspalt auftritt, ist in Abbildung 5 dargestellt. Aus Vergleich zwischen Abbildung 4 und Abbildung 5 lässt sich die Bedingung für das Auftreten eines Intensitätsmaximums hinter dem Doppelspalt bzw. Gitter ablesen: tan sin = m λ g (1) Dabei sind der Beugungswinkel, m die Beugungsordnung, λ die Wellenlänge und g die Gitterkonstante Beugungsordnung Lampe Linse Doppelspalt bzw. Gitter Abbildung 3: Beugung an Doppelspalt bzw. Gitter im Huygensschen Modell

3 3 a) b) x = n x = (n+ ) 1 2 Abbildung 4: a) konstruktive und b) destruktive Interferenz zweier Wellenzüge G g x x = g sin( ) chirm Abbildung 5: Gangunterschied x zwischen den Wellenfronten aus den beiden Öffnungen eines Doppelspaltes bzw. zwischen benachbarten palten eines Gitters 2.3 Auflösungsvermögen des Mikroskops Nach Abbé stimmen Bild und Objekt nur dann genau überein, wenn alle Beugungsordnungen in das Mikroskop gelangen, d.h. von der Obejektivlinse erfaßt werden. Ein palt zwischen Gitter und der Objektivlinse gestattet im Experiment, Beugungsordnungen auszublenden. Normalerweise ist dieser palt durch die Fassung der Linse gegeben. Je enger das Gitter wird, desto weiter liegen die Beugungsmaxima auseinander. Es gibt einen kleinsten Abstand g der Gitterstriche, bei dem gerade noch zwei Beugungsbilder ins Mikroskop, d.h. den Bereich der Linse L2, der von der Blende nicht abgedeckt wird, gelangen. Die Gitterstruktur ist dann gerade Beugungsmaxima in Linsenebene Lampe und Linse zur Ausleuchtung α m= 3 m= 2 m= 1 m=-1 m=-2 m=-3 Objektivlinse m. Blende (palt) Bild des Gitters (Zwischenbild im Mikroskop) Abbildung 6: trahlengang zur Beobachtung des Gitters mit einem Mikroskop und Erklärung der Abbé schen Theorie

4 4 Versuchsdurchführung noch erkennbar. Damit ist die Auflösungsgrenze des Mikroskops erreicht. Im Nimmt man an, dass keine Lochblende sondern eine paltblende an der Linsenfassung vorliegt, dann gilt für g: g = λ n sin α (2) g = kleinster Abstand zweier Objektpunkte P und Q, deren Bilder P und Q noch getrennt erscheinen (hier Gitterkonstante) λ = Wellenlänge des zur Abbildung benutzten Lichtes im Vakuum λ/n = Wellenlänge des Lichtes im benutzten Medium (z.b. Immersionsöl) n = Brechzahl im Raum zwischen Objekt und Objektiv 2α = Winkel, unter dem ein Gitterpunkt die Objektivfassung sieht (α = Öffnungswinkel) n sin α = numerische Apertur des Objektivs 3 Versuchsdurchführung Versuchsmaterialien Optikbank, Optikreiter, chirm, Farbfilter FL: Fadenlampe mit Irisblende inkl. Netzteil (Betriebsspannung: 12 V) Hg: Quecksilberdampflampe inkl. Netzteil : palt (Durchmesser und Orientierung verstellbar) L: Linse (Brennweite 50mm) MO: Mikroskopobjektiv mit Millimeterskala G: Gitter (engmaschig) G : Gitter (weitmaschig) 3.1 Beugung am palt Achtung: Verwenden ie für diesen Versuchsteil aussschließlich die Fadenlampe! Die Hg-Lampe emittiert intensive, für das Auge schädliche UV-trahlung. chauen ie niemals direkt in die Hg-Lampe! Betrachten ie die Lampe durch den palt. Verringern ie die paltbreite so weit, bis ie ein Beugungsbild beobachten können. Welche Bedingung muss die paltbreite hierfür erfüllen? Erscheint langwelliges Licht (rot) oder kurzwelliges Licht (blau) unter einem größeren Beugungswinkel? Wird der Beugungswinkel größer oder kleiner, wenn ie die paltbreite geringfügig verringern? Notieren ie die Beobachtungen und Antworten im Protokollheft! 3.2 Bestimmung der Gitterkonstanten der Beugungsgitter Bilden ie den Glühfaden der Fadenlampe mit Hilfe der Linse stark vergrößert auf den chirm ab. Wie verläuft der trahlengang, insbesondere zwischen Linse und chirm? Bringen ie zuerst das weitmaschige Gitter G direkt nach der Linse in den trahlengang. Bringen ie nach dem Gitter das Mikroskopobjektiv in den trahlengang. Bilden ie durch Variation der Position des chirms und des Mikroskopobjektivs das Gitter auf den chirm ab. Bestimmen ie mithilfe der kala des Mikroskopobjektivs Gitterkonstante und Linienzahl des Gitters G sowie im Anschluss die des feinmaschigen Gitters G. Geben ie die Gitterkonstante in µm an. Eine Einheit auf der kala des Objektivs FL Abbildung 7: Aufbau zur Beobachtung des Beugungsmusters eines Einfachspalts

5 5 FL L G (G ) MO chirm Abbildung 8: Aufbau zur Bestimmung der Gitterkonstanten von G und G entspricht einem Millimeter. Notieren ie die Abstände zwischen Mikroskopobjektiv und Gitter bzw. chirm. ollten ie bei der Bestimmung der Gitterkonstante des feinmaschigen Gitters Probleme haben, wechseln ie die Lampe gegen die Hg-Lampe aus, setzen sie gleich den palt mit ein, den sie für den nächsten Versuch benötigen und bilden sie den palt scharf auf den chirm ab. Dazu vorübergehend Gitter und Mikroskop aus dem trahlengang entfernen.) 3.3 Bestimmung der charakteristischen Linien der Hg-Lampe Bringen ie den palt direkt vor der Hg-Lampe in den trahlengang. Bilden ie nun den palt mit Hilfe der Linse stark vergrößert auf den chirm ab. Achten ie unbedingt darauf, dass der palt nicht verbogen abgebildet wird! (palt, Lampe gerade stellen, Höhe der Linse über dem Tisch justieren!) Wie verläuft der trahlengang zwischen Linse und chirm? Bringen ie nun das Gitter G direkt nach der Linse in den trahlengang ein. Variieren ie die paltbreite bis das Beugungsbild des Gitters erkennbar ist. kizzieren ie trahlengang und Beugungsbild! Wie ändert sich das Beugungsbild, wenn ie das Gitter entlang der optischen Achse verschieben? Bestimmen ie aus der gemessenen Gitterkonstante und dem Beugungswinkel, unter dem die jeweilige Linie beobachtet wird, die Wellenlänge der gelben, grünen und blauen pektrallinie von Quecksilber: tan sin = m λ g Dabei sind der Beugungswinkel, m die Beugungsordnung, λ die Wellenlänge und g die Gitterkonstante. Messen ie dazu die Abstände der jeweiligen Linie im m = ±1 und m = ±2 Beugungsmaximum von der Position der nullten Beugungsordnung zu beiden eiten. Bestimmen ie aus den Messungen zum ersten Maximum einen mittleren Abstand und daraus die Wellenlänge, danach aus den Messungen des zweiten Maximums. Überlegen ie sich, wie genau ie die Position der Linien und den Abstand zwischen Gitter und chirm bestimmen konnten und schätzen ie so den jeweiligen Fehler in der Wellenlänge ab. Vergleichen ie ihre Messwerte mit den Messwerten der anderen Gruppen und den tatsächlichen Werten (Betreuer(in)) und notieren ie, ob die Fehlerabschätzung die tatsächliche Abweichung der einzelnen Messwerte erklärt. 3.4 Auflösungsvermögen des Mikroskops Bringen ie nun direkt hinter dem Gitter G einen weiteren palt in den trahlengang ein. Achten ie darauf, dass dieser zum ersten palt parallel steht. Justieren ie den 2. palt so, dass ie auf seiner geschlossenen Fläche die Beugungsmaxima sehen können und sicher sind dass beim Öffnen des paltes als erstes das nullte Maximum durch den palt geht. Fügen ie nun nach dem vollständig geöffneten 2. palt das Mikroskopobjektiv in den trahlengang ein und bilden ie das Gitter - analog zu Abschnitt 3.2 (3) Hg L G chirm Abbildung 9: Aufbau zur Vermessung der pektrallinien von Quecksilber (Hg)

6 6 Versuchsdurchführung Hg L G MO chirm Abbildung 10: Aufbau zur Bestimmung des Auflösungsvermögens - auf den chirm ab. Für die Justage können ie sich an den in Abschnitt 3.2 bestimmten Abständen orientieren und ggf. das weitmaschige Gitter G (anstelle von G) verwenden, für die weitere Durchführung des Versuchs benötigen ie aber das engmaschige Gitter G. Verringern ie nun die Breite des neu eingebrachten paltes und beobachten ie, wie sich die Abbildung der Gitterlinien verhält. Versichern ie sich, dass das Gitter nur dann abgebildet wird, wenn mindestens zwei Beugungsordnungen den palt passieren. Notieren ie in Ihrem Versuchsheft die Antworten auf die folgenden Fragen: Was muss ein Mikroskopobjektiv leisten, um eine möglichst hohe Auflösung zu ermöglichen? Welche Kenngröße des Objektivs beschreibt, wie viele Beugungsordnungen abgebildet werden können? Wie eng muss dass Gitter sein, damit es - unabhängig von der verwendeten Linse - mit sichtbarem Licht nicht mehr abgebildet werden kann?