Physikalisches Praktikum 3 Versuch: Betreuer: Abbésche Theorie Dr. Enenkel Aufgaben: 1. Bauen Sie auf einer optischen Bank ein Modellmikroskop mit optimaler Vergrößerung auf. 2. Untersuchen Sie bei verschiedenen Objekten den Einfluss von Veränderungen des primären Bildes auf das sekundäre Bild. 3. Demonstrieren Sie das Phasenkontrastverfahren nach Zernicke. 4. Untersuchen Sie den Einfluss der Schrägbeleuchtung. Ziel: Verständnis der Bildentstehung beim Mikroskop und dem Zusammenhang zwischen dem Beugungsbild der Lichtquelle (primäres Bild) und dem reellen Abbild des beugenden Objekts (sekundäres Bild). 1
1. Theorie 1.1. Amplitudenobjekte Amplitudenobjekte sind Objekte, die das in das Mikroskop eingestrahlte Licht unterschiedlich stark absorbieren; die Amplitude der elektromagnetischen Welle verkleinern. Da das menschliche Auge ausschließlich die Amplitude des einfallenden Lichtes wahrnimmt, können Amplitudenobjekte durch ein einfaches Lichtmikroskop betrachtet werden. Wenn man Lichtstrahlen durch ein Objekt leitet, treten bei sehr kleinen Strukturen Beugungserscheinungen auf. Auf dem Schirm werden die von einem einzelnen Strahl ausgehenden Beugungsstrahlen wieder zusammengefügt. Im Brennpunkt der Linse bildet sich ein Interferenzbild aus, da sich die Strahlen dort überlagern. Dies ist das reelle Bild und wird als primäres Bild bezeichnet. Nach Abbé kann man durch Manipulation des primären Bildes, Eigenschaften wie Kontrast und Ausdehnung der Vergrößerung verändern. Ein ordnungsgemäßes Abbilden kann laut Abbé nur erfolgen, wenn mindestens das Maximum 0. Ordnung und das der 1. Ordnung zur Bildung des Bildes beitragen. Sollte das Licht am Gitter so stark gebeugt werden, dass kein Maximum 1. Ordnung das Objektiv erreicht, ist keine Betrachtung der Struktur mehr möglich. d min 0,61 n sin 0,61 ( ϑ ) A 2
Dabei ist d min der minimale Abstand zweier Objektpunkte, bei dem noch erkennbar ist, dass es sich nicht um einen einzigen Punkt handelt. Weiterhin ist die Wellenlänge des Lichtes, n der Brechungsindex des Mediums zwischen Objekt und Objektiv und ϑ der halbe Öffnungswinkel des Objektivs. Sollte für praktische Anwendungen d min zu klein sein, kann man mit geeigneter Variation von, n und ϑ trotzdem eine ausreichende Auflösung erreichen: Einstellen einer möglichst kleinen Wellenlänge Einbringen einer Imersionsflüssigkeit zw. Objekt und Okular, um Beugungseffekte zu minimieren und um die Maxima 1. Ordnung auf das Objektiv treffen zu lassen. Möglichst großer Objektivwinkel Durch Schrägbeleuchtung kann ein fehlendes Maximum in das Objektiv gedreht werden. 1.2. Phasenobjekte Phasenobjekte sind Objekte, die die Phase des eintreffenden Lichtstrahls verändern, so dass die Amplitude weitestgehend unverändert bleibt. Phasenobjekte erscheinen dem menschlichen Auge durchsichtig, sie setzen sich aus Teilen unterschiedlicher Brechzahl oder Schichtdicke zusammen. Im Bezug auf primäres und sekundäres Bild verhalten sich Phasenobjekte ähnlich den Amplitudenobjekten. Der Unterschied jedoch besteht darin, dass die Phasenverschiebung π zwischen Max. 0. Ordnung und 1. Ordnung 2 beträgt, bei den Amplitudenobjekten hingegen π. Um einen vergleichbaren Kontrast zu erreichen, muss man beim Phasenpräparat entweder π das Licht des Maximums 0. Ordnung um 2 verschieben oder jedes der anderen Maxima um 3π 2. Dies kann man mit so genannten 4 oder 2 Platten erreichen. 3
2. Durchführung 2.1. Aufbau 140 110 55 110 110 1860 Hg Dampflampe Spalt Linse +100 Gitter Linse +100 Al Folie Schirm alle Angaben in mm Aus einer Quecksilberdampflampe mit vorgestellten Monochromaten traf der Lichtstrahl durch einen Spalt und eine Linse auf ein Gitter (Amplitudenobjekt). An diesem wurde das Licht gebeugt und mittels Linse (f 100) auf den Schirm projiziert. Um den Einfluss von Veränderungen des primären Bildes aus das sekundäre zu beobachten, wurde zwischen Linse und Schirm eine Alu Folie gestellt. Mit einer Nadel wurden nun in diese schrittweise kleine Löcher an die Stellen der Beugungsmaxima und in dessen Größe gestochen. Lässt man nur as Maximum 0. Ordnung hindurch, enthält das sekundäre Bild keine Struktur. Lässt man jedoch noch ein Maximum 1. Ordnung dazu durch, ist die Struktur des Objektes zu erkennen. Bei Maximum 0. Ordnung und die der 2. Ordnung erscheint das Bild des Gitters mit verringerter Spaltbreite. Die Struktur ändert sich im Sekundärbild. Die Maxima 2. Ordnung übernehmen jetzt die Rolle der ausgeblendeten Maxima 1. Ordnung. l y d In guter Näherung gilt die o. g. Formel für die Maxima 1. Ordnung (Δy Abstand der Maxima zur 0. Ordnung, Wellenlänge des verwendeten Lichtes, d Spaltbreite Gitter). Wenn jetzt der Abstand der Maxima 2. Ordnung für den der ersten Ordnung eingesetzt wird, wird d kleiner. 4
2.2. Phasenkontrastverfahren nach Zernicke Da am Praktikumsplatz das Phasenobjekt fehlte, wurde die Spitze einer 4 - Platte in den Strahlengang des Maximums 0. Ordnung gestellt. Es konnte gezeigt werden, dass, wenn das Maximum 1. Ordnung gegenüber dem der 0. Ordnung nicht um π phasenverschoben ist, keine Auflösung auf dem Schirm erreicht werden kann. 2.3. Schrägbeleuchtung Durch den Einfluss der Schrägbeleuchtung, die mittels Drehen des Spaltes aus der optischen Achse erzielt wurde, ist es gelungen die Maxima 1. Ordnung in das Objektiv zu drehen und somit die Struktur des Objekts wieder sichtbar zu machen. 3. Auswertung Insgesamt kann man mit dem Versuch folgendes deutlich machen: allgemeine Bilderzeugnis im Mikroskop, insbesondere die Erzeugung des sekundären Bildes. Die Bedeutung der ersten Beugungsmaxima zur Strukturwiedergabe des Objektes und damit verbunden das Problem des Auflösungsvermögens. Die Bedeutung der Phasenlage zwischen dem Maximum 0. Ordnung und den anderen Maxima und somit auch die Erkenntnis, dass zwei gleiche aussehende Primärbilder zum gleichen Sekundärbild führen. 5