2.1: תכונות האור

מטרות למידה

• זהה והגדר את המאפיינים של קרינה אלקטרומגנטית (EMR) המשמשים במיקרוסקופיה
• הסבר כיצד משתמשים בעדשות במיקרוסקופיה כדי לתפעל אור גלוי ואולטרה סגול (UV)

מיקוד קליני: חלק א

סינדי, יועצת בת 17 במחנה ספורט קיץ, גירדה את ברכיה כששיחקה כדורסל לפני שבועיים. באותה תקופה היא חשבה שזו רק שחיקה קלה שתבריא, כמו רבים אחרים לפניו. במקום זאת, הפצע החל להיראות כמו עקיצת חרקים והמשיך להיות יותר ויותר כואב ונפוח.

אחות המחנה בוחנת את הנגע ומתבוננת בכמות גדולה של מוגלה הנוטפת מפני השטח. מודאגת מכך שסינדי פיתחה זיהום שעלול להיות אגרסיבי, היא מטפטפת את הפצע כדי לאסוף דגימה מאתר ההדבקה. ואז היא מנקה את המוגלה ומלבישה את הפצע, מורה לסינדי לשמור על האזור נקי ולחזור למחרת. כאשר סינדי עוזבת, האחות שולחת את הדגימה למעבדה הרפואית הקרובה ביותר לניתוח תחת מיקרוסקופ.

תרגיל \(\PageIndex{1}\)

מהם כמה דברים שאנחנו יכולים ללמוד על החיידקים האלה על ידי התבוננות בהם במיקרוסקופ?

האור הנראה מורכב מגלים אלקטרומגנטיים שמתנהגים כמו גלים אחרים. מכאן שניתן להבין רבות מתכונות האור הרלוונטיות למיקרוסקופיה במונחים של התנהגות האור כגל. מאפיין חשוב של גלי אור הוא אורך הגל, או המרחק בין פסגה אחת של גל לשיא הבא. הגובה של כל פסגה (או עומק של כל שוקת) נקרא משרעת. לעומת זאת, תדירות הגל היא קצב הרטט של הגל, או מספר אורכי הגל בפרק זמן מוגדר (איור\(\PageIndex{1}\)).

איור\(\PageIndex{1}\): (א) המשרעת היא גובה הגל, ואילו אורך הגל הוא המרחק בין פסגה אחת לאחרת. (ב) לגלים אלה יש תדרים שונים, או קצבי רטט שונים. הגל בחלק העליון הוא בעל התדר הנמוך ביותר, מכיוון שיש לו את הפסגות המועטות ביותר ליחידת זמן. הגל בתחתית הוא בעל התדר הגבוה ביותר.

אינטראקציות של אור

גלי אור מתקשרים עם חומרים על ידי השתקפות, ספיגה או העברה. השתקפות מתרחשת כאשר גל קופץ מחומר. לדוגמה, פיסת בד אדומה עשויה להחזיר אור אדום לעינינו תוך ספיגת צבעי אור אחרים. ספיגהמתרחש כאשר חומר לוכד את האנרגיה של גל אור. במקרה של פלסטיק זוהר בחושך, האנרגיה מהאור יכולה להיספג ולאחר מכן להיפלט מחדש כצורה אחרת של זרחן. העברה מתרחשת כאשר גל עובר דרך חומר, כמו אור דרך זכוכית (תהליך השידור נקרא העברה). כאשר חומר מאפשר העברת חלק גדול מהאור, הוא עשוי לעשות זאת מכיוון שהוא דק יותר, או שקוף יותר (בעל שקיפות רבה יותר ופחות אטימות). איור \(\PageIndex{2}\) ממחיש את ההבדל בין שקיפות ואטימות.

איור\(\PageIndex{2}\): (א) צלחת פטרי עשויה מפלסטיק שקוף או זכוכית, המאפשרת העברת שיעור גבוה של אור. שקיפות זו מאפשרת לנו לראות דרך דפנות המנה כדי להציג את התוכן. (ב) פרוסה זו של מטאוריט ברזל אטומה (כלומר, יש לה אטימות). האור אינו מועבר דרך החומר, מה שהופך את זה בלתי אפשרי לראות את החלק של היד מכוסה על ידי האובייקט. (אשראי א: שינוי עבודה על ידי אומברטו סלווגנין; אשראי ב: שינוי עבודה על ידי "Waifer X" /פליקר)

גלי אור יכולים גם לתקשר זה עם זה על ידי הפרעה, ויוצרים דפוסי תנועה מורכבים. הטלת שני חלוקי נחל לשלולית גורמת לגלים על פני השלולית לקיים אינטראקציה, ויוצרים דפוסי הפרעה מורכבים. גלי אור יכולים לתקשר באותו אופן.

בנוסף להפרעה זה לזה, גלי אור יכולים גם לתקשר עם חפצים קטנים או פתחים על ידי כיפוף או פיזור. זה נקרא עקיפה. עקיפה גדולה יותר כאשר האובייקט קטן יותר ביחס לאורך הגל של האור (המרחק בין שתי פסגות רצופות של גל אור). לעתים קרובות, כאשר גלים מתפשטים בכיוונים שונים סביב מכשול או פתח, הם יפריעו זה לזה.

תרגיל \(\PageIndex{2}\)

1. אם לגל אור יש אורך גל ארוך, האם סביר להניח שיש לו תדר נמוך או גבוה?
2. אם אובייקט שקוף, האם הוא מחזיר, סופג או מעביר אור?

עדשות ושבירה

בהקשר של מיקרוסקופיה, שבירה היא אולי ההתנהגות החשובה ביותר שמציגים גלי אור. שבירה מתרחשת כאשר גלי אור משנים כיוון כשהם נכנסים למדיום חדש (איור\(\PageIndex{3}\)). חומרים שקופים שונים מעבירים אור במהירויות שונות; לפיכך, האור יכול לשנות מהירות כאשר הוא עובר מחומר לחומר אחר. שינוי מהירות זה גורם בדרך כלל גם לשינוי כיוון (שבירה), כאשר מידת השינוי תלויה בזווית האור הנכנס.

איור\(\PageIndex{3}\): (א) שבירה מתרחשת כאשר האור עובר ממדיום אחד, כגון אוויר, לאחר, כגון זכוכית, ומשנה את כיוון קרני האור. (ב) כפי שמוצג בתרשים זה, קרני אור העוברות ממדיום אחד למשנהו עשויות להישבר או להשתקף. (קרדיט א: שינוי העבודה על ידי "אג'יזאי" /ויקימדיה Commons).

המידה שבה חומר מאט את מהירות השידור ביחס לחלל הריק נקראת מקדם השבירה של אותו חומר. הבדלים גדולים בין מדדי השבירה של שני חומרים יגרמו לכמות גדולה של שבירה כאשר האור עובר מחומר אחד למשנהו. לדוגמה, האור נע הרבה יותר לאט דרך המים מאשר דרך האוויר, כך שאור הנכנס למים מהאוויר יכול לשנות כיוון מאוד. אנו אומרים כי המים יש מקדם שבירה גבוה יותר מאשר אוויר (איור\(\PageIndex{4}\)).

איור\(\PageIndex{4}\): נראה כי מוט ישר זה מתכופף בזווית כשהוא נכנס למים. אשליה אופטית זו נובעת מההבדל הגדול בין מדדי השבירה של אוויר ומים.

כאשר האור חוצה גבול לחומר בעל מקדם שבירה גבוה יותר, כיוונו הופך להיות קרוב יותר בניצב לגבול (כלומר, יותר לכיוון נורמלי לגבול זה; איור\(\PageIndex{5}\)). זהו העיקרון מאחורי עדשות. אנו יכולים לחשוב על עדשה כאובייקט עם גבול מעוקל (או אוסף של מנסרות) האוסף את כל האור שפוגע בו ושובר אותו כך שהכל נפגש בנקודה אחת הנקראת נקודת התמונה (מיקוד). ניתן להשתמש בעדשה קמורה להגדלה מכיוון שהיא יכולה להתמקד בטווח קרוב יותר מהעין האנושית, ולייצר תמונה גדולה יותר. ניתן להשתמש בעדשות ומראות קעורות גם במיקרוסקופים כדי להפנות את נתיב האור. איור \(\PageIndex{5}\) מציג את נקודת המוקד (נקודת התמונה כאשר האור הנכנס לעדשה מקביל) ואת אורך המוקד (המרחק לנקודת המוקד) עבור עדשות קמורות וקעורות.

איור\(\PageIndex{5}\): (א) עדשה היא כמו אוסף של מנסרות, כמו זו המוצגת כאן. (ב) כאשר האור עובר דרך עדשה קמורה, הוא נשבר לכיוון מוקד בצד השני של העדשה. אורך המוקד הוא המרחק לנקודת המוקד. (ג) אור העובר דרך עדשה קעורה נשבר הרחק מנקודת מוקד מול העדשה.

העין האנושית מכילה עדשה המאפשרת לנו לראות תמונות. עדשה זו ממקדת את האור המשתקף מחפצים מול העין אל פני הרשתית, שהוא כמו מסך בחלק האחורי של העין. עדשות מלאכותיות המונחות מול העין (עדשות מגע, משקפיים או עדשות מיקרוסקופיות) ממקדות את האור לפני שהוא ממוקד (שוב) על ידי עדשת העין, תוך מניפולציה של התמונה שמסתיימת על הרשתית (למשל, על ידי כך שהיא נראית גדולה יותר).

תמונות מנוהלות בדרך כלל על ידי שליטה במרחקים בין האובייקט, העדשה והמסך, כמו גם עקמומיות העדשה. לדוגמה, עבור כמות מסוימת של עקמומיות, כאשר אובייקט קרוב יותר לעדשה, נקודות המוקד רחוקות יותר מהעדשה. כתוצאה מכך, לעתים קרובות יש צורך לתפעל מרחקים אלה כדי ליצור תמונה ממוקדת על המסך. באופן דומה, עקמומיות רבה יותר יוצרת נקודות תמונה קרובות יותר לעדשה ותמונה גדולה יותר כאשר התמונה בפוקוס. מאפיין זה מתואר לעתים קרובות במונחים של מרחק המוקד, או המרחק לנקודת המוקד.

תרגיל \(\PageIndex{3}\)

1. הסבר כיצד עדשה ממקדת אור בנקודת התמונה.
2. ציין כמה גורמים המשפיעים על אורך המוקד של העדשה.

ספקטרום וצבע אלקטרומגנטיים

אור גלוי הוא רק צורה אחת של קרינה אלקטרומגנטית (EMR), סוג של אנרגיה שנמצאת סביבנו. צורות אחרות של EMR כוללות מיקרוגל, צילומי רנטגן וגלי רדיו, בין היתר. הסוגים השונים של EMR נופלים על הספקטרום האלקטרומגנטי, המוגדר במונחים של אורך גל ותדירות. ספקטרום האור הנראה תופס טווח תדרים קטן יחסית בין אור אינפרא אדום לאולטרה סגול (איור\(\PageIndex{6}\)).

איור\(\PageIndex{6}\): הספקטרום האלקטרומגנטי נע בין קרני גמא בתדר גבוה לגלי רדיו בתדר נמוך. אור גלוי הוא הטווח הקטן יחסית של תדרים אלקטרומגנטיים שניתן לחוש בעין האנושית. על הספקטרום האלקטרומגנטי, האור הנראה נופל בין אור אולטרה סגול לאינפרא אדום. (קרדיט: שינוי עבודה מאת יוהנס אהלמן).

בעוד שאורך הגל מייצג את המרחק בין פסגות סמוכות של גל אור, התדר, בהגדרה פשוטה, מייצג את קצב התנודה. לגלים עם תדרים גבוהים יותר יש אורכי גל קצרים יותר, ולכן יש להם יותר תנודות ליחידת זמן מאשר גלים בתדר נמוך יותר. גלים בתדירות גבוהה יותר מכילים גם יותר אנרגיה מאשר גלים בתדר נמוך יותר. אנרגיה זו מועברת כחלקיקים אלמנטריים הנקראים פוטונים. גלים בתדירות גבוהה יותר מספקים פוטונים אנרגטיים יותר מאשר גלים בתדר נמוך יותר.

פוטונים בעלי אנרגיות שונות מתקשרים באופן שונה עם הרשתית. בספקטרום האור הנראה, כל צבע מתאים לתדר ואורך גל מסוים (איור\(\PageIndex{6}\)). התדר הנמוך ביותר של האור הנראה מופיע כצבע אדום, ואילו הגבוה ביותר מופיע כצבע סגול. כאשר הרשתית מקבלת אור גלוי בתדרים רבים ושונים, אנו תופסים זאת כאור לבן. עם זאת, ניתן להפריד אור לבן לצבעי הרכיב שלו באמצעות שבירה. אם נעביר אור לבן דרך פריזמה, צבעים שונים יישברו לכיוונים שונים, ויוצרים ספקטרום דמוי קשת על גבי מסך מאחורי הפריזמה. הפרדת צבעים זו נקראת פיזור, והיא מתרחשת מכיוון שעבור חומר נתון מקדם השבירה שונה לתדרי אור שונים.

חומרים מסוימים יכולים לשבור צורות בלתי נראות של EMR ולמעשה להפוך אותם לאור גלוי. צבעי ניאון מסוימים, למשל, סופגים אור אולטרה סגול או כחול ואז משתמשים באנרגיה כדי לפלוט פוטונים בצבע אחר, ומוציאים אור במקום פשוט לרטוט. זה קורה מכיוון שספיגת האנרגיה גורמת לאלקטרונים לקפוץ למצבי אנרגיה גבוהים יותר, ולאחר מכן הם נופלים כמעט מיד למצבי הקרקע שלהם, ופולטים כמויות אנרגיה ספציפיות כפוטונים. לא כל האנרגיה נפלטת בפוטון נתון, ולכן הפוטונים הנפלטים יהיו בעלי אנרגיה נמוכה יותר, ולכן בתדירות נמוכה יותר מזו שנספגה. לפיכך, צבע כגון אדום טקסס עשוי להתרגש מאור כחול, אך לפלוט אור אדום; או צבע כגון פלואורסצין איזותיוציאנט (FITC) עשוי לספוג (בלתי נראה) אור אולטרה סגול באנרגיה גבוהה ולפלוט אור ירוק (איור). \(\PageIndex{7}\) בחומרים מסוימים, הפוטונים עשויים להיפלט בעקבות עיכוב לאחר הקליטה; במקרה זה, התהליך נקרא זרחן. פלסטיק זוהר בחושך עובד באמצעות חומר זרחני.

איור\(\PageIndex{7}\): הצבעים הפלואורסצנטיים הנספגים בתאי האנדותל של עורק הריאה הבקר פולטים צבעים מבריקים כאשר הם נרגשים מאור אולטרה סגול תחת מיקרוסקופ פלואורסצנטי. מבני תאים שונים סופגים צבעים שונים. הגרעינים מוכתמים בכחול עם 4',6-דיאמידינו-2-פנילינדול (DAPI); מיקרו-צינורות מסומנים בירוק על ידי נוגדן הקשור ל- FITC; וחוטי אקטין מסומנים באדום עם פאלודין הקשור לטטרמתילרודמין (TRITC).

תרגיל \(\PageIndex{4}\)

1. למי יש תדר גבוה יותר: אור אדום או אור ירוק?
2. הסבר מדוע פיזור מתרחש כאשר אור לבן עובר דרך פריזמה.
3. מדוע צבעי ניאון פולטים צבע שונה של אור ממה שהם סופגים?

הגדלה, רזולוציה וניגודיות

מיקרוסקופים מגדילים תמונות ומשתמשים בתכונות האור ליצירת תמונות שימושיות של עצמים קטנים. הגדלה מוגדרת כיכולת של עדשה להגדיל את תמונת האובייקט בהשוואה לאובייקט האמיתי. לדוגמה, הגדלה של 10פירושה שהתמונה מופיעה פי 10 מגודל האובייקט כפי שהיא נראית בעין בלתי מזוינת.

הגדלה גדולה יותר משפרת בדרך כלל את היכולת שלנו לראות פרטים על עצמים קטנים, אך הגדלה בלבד אינה מספיקה בכדי ליצור את התמונות השימושיות ביותר. זה לעתים קרובות שימושי כדי לשפר את הרזולוציה של אובייקטים: היכולת לדעת כי שתי נקודות נפרדות או אובייקטים נפרדים. תמונה ברזולוציה נמוכה נראית מטושטשת, ואילו תמונה ברזולוציה גבוהה נראית חדה. שני גורמים משפיעים על הרזולוציה. הראשון הוא אורך הגל. אורכי גל קצרים יותר מסוגלים לפתור עצמים קטנים יותר; לפיכך, למיקרוסקופ אלקטרונים יש רזולוציה גבוהה בהרבה ממיקרוסקופ אור, מכיוון שהוא משתמש בקרן אלקטרונים באורך גל קצר מאוד, בניגוד לאור הנראה באורך הגל הארוך המשמש מיקרוסקופ אור. הגורם השני שמשפיע על הרזולוציה הוא צמצם מספרי, שהוא מדד ליכולת העדשה לאסוף אור. ככל שהצמצם המספרי גבוה יותר, כך הרזולוציה טובה יותר.

גם כאשר למיקרוסקופ יש רזולוציה גבוהה, זה יכול להיות קשה להבחין במבנים קטנים בדגימות רבות מכיוון שמיקרואורגניזמים שקופים יחסית. לעתים קרובות יש צורך להגביר את הניגודיות כדי לזהות מבנים שונים בדגימה. סוגים שונים של מיקרוסקופים משתמשים בתכונות שונות של אור או אלקטרונים כדי להגביר את ההבדלים הניגודים הנראים לעין בין חלקי הדגימה (ראה מכשירי מיקרוסקופיה). בנוסף, ניתן להשתמש בצבעים הנקשרים למבנים מסוימים אך לא באחרים כדי לשפר את הניגודיות בין תמונות של אובייקטים שקופים יחסית (ראה צביעת דגימות מיקרוסקופיות).

תרגיל \(\PageIndex{5}\)

1. הסבר את ההבדל בין הגדלה לרזולוציה.
2. הסבר את ההבדל בין רזולוציה לניגודיות.
3. ציין שני גורמים המשפיעים על הרזולוציה.

מושגי מפתח וסיכום

• גלי אור המקיימים אינטראקציה עם חומרים עשויים להשתקף, להיספג או להעביר, בהתאם לתכונות החומר.
• גלי אור יכולים לקיים אינטראקציה זה עם זה (הפרעה) או להתעוות על ידי אינטראקציות עם עצמים קטנים או פתחים (עקיפה).
• שבירה מתרחשת כאשר גלי אור משנים מהירות וכיוון כשהם עוברים ממדיום אחד למשנהו. הבדלים במדדי השבירה של שני חומרים קובעים את גודל השינויים הכיווניים כאשר האור עובר מאחד לשני.
• עדשה היא מדיום עם משטח מעוקל השובר וממקד אור להפקת תמונה.
• אור גלוי הוא חלק מהספקטרום האלקטרומגנטי; גלי אור בתדרים ואורכי גל שונים נבדלים כצבעים על ידי העין האנושית.
• מנסרה יכולה להפריד בין צבעי האור הלבן (פיזור) מכיוון שלתדרים שונים של אור יש מדדי שבירה שונים לחומר נתון.
• צבעים פלואורסצנטיים וחומרים זרחניים יכולים להפוך ביעילות קרינה אלקטרומגנטית בלתי נראית לאור גלוי.
• ניתן לתאר את כוחו של מיקרוסקופ במונחים של הגדלה והרזולוציה שלו.
• ניתן להגדיל את הרזולוציה על ידי קיצור אורך הגל, הגדלת הצמצם המספרי של העדשה או שימוש בכתמים המשפרים את הניגודיות.

רשימת מילים

ספיגה

כאשר מולקולה לוכדת אנרגיה מפוטון ורוטטת או נמתחת, תוך שימוש באנרגיה

גודל

גובהו של גל

ניגודיות

הבדלים גלויים בין חלקי דגימה מיקרוסקופית

עקיפה

שינוי הכיוון (כיפוף או התפשטות) המתרחש כאשר גל אור מתקשר עם פתח או מחסום

פיזור

הפרדת האור בתדרים שונים עקב דרגות שבירה שונות

פלורסנט

היכולת של חומרים מסוימים לספוג אנרגיה ואז לשחרר מיד את האנרגיה הזו בצורה של אור

אורך מוקד

המרחק מהעדשה לנקודת התמונה כאשר האובייקט נמצא במרחק מוגדר מהעדשה (זהו גם המרחק לנקודת המוקד)

נקודת מוקד

מאפיין של העדשה; נקודת התמונה כאשר האור הנכנס לעדשה מקביל (כלומר, האובייקט נמצא במרחק אינסופי מהעדשה)

תדירות

קצב הרטט עבור גל אור או גל אלקטרומגנטי אחר

נקודת תמונה (מיקוד)

מאפיין של העדשה ומרחק האובייקט לעדשה; הנקודה בה תמונה נמצאת בפוקוס (נקודת התמונה נקראת לעתים קרובות המוקד)

הפרעה

עיוות של גל אור עקב אינטראקציה עם גל אחר

הגדלה

כוחו של מיקרוסקופ (או עדשה) לייצר תמונה שנראית גדולה יותר מהדגימה בפועל, המתבטאת כגורם בגודל האמיתי

צמצם מספרי

מדד ליכולתה של עדשה לאסוף אור

אטימות

המאפיין של קליטת או חסימת אור

זרחנות

היכולת של חומרים מסוימים לספוג אנרגיה ואז לשחרר את האנרגיה הזו כאור לאחר עיכוב

השתקפות

כאשר האור קופץ חזרה ממשטח

שבירה

כיפוף גלי אור, המתרחש כאשר גל אור עובר ממדיום אחד למשנהו

מקדם השבירה

מדד לגודל ההאטה של גלי האור על ידי מדיום מסוים

רזולוציה

היכולת להבחין בין שתי נקודות בתמונה

העברה

כמות האור העוברת במדיום

שקיפות

המאפיין לאפשר לאור לעבור

אורך גל

המרחק בין פסגה אחת של גל לפסגה הבאה