26.4: Microscópios
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Investigue diferentes tipos de microscópios.
- Saiba como a imagem é formada em um microscópio composto.
Embora o olho seja maravilhoso em sua capacidade de ver objetos grandes e pequenos, ele obviamente tem limitações nos menores detalhes que pode detectar. O desejo humano de ver além do que é possível a olho nu levou ao uso de instrumentos ópticos. Nesta seção, examinaremos microscópios, instrumentos para ampliar os detalhes que não podemos ver a olho nu. O microscópio é um sistema de vários elementos com mais de uma única lente ou espelho (Figura\(\PageIndex{1}\)). Um microscópio pode ser feito de duas lentes convexas. A imagem formada pelo primeiro elemento se torna o objeto do segundo elemento. O segundo elemento forma sua própria imagem, que é o objeto do terceiro elemento, e assim por diante. O traçado de raios ajuda a visualizar a imagem formada. Se o dispositivo for composto por lentes finas e espelhos que obedecem às equações das lentes finas, não é difícil descrever seu comportamento numericamente.
Os microscópios foram desenvolvidos pela primeira vez no início dos anos 1600 por fabricantes de óculos na Holanda e na Dinamarca. O microscópio composto mais simples é construído a partir de duas lentes convexas, conforme mostrado esquematicamente na Figura 2. A primeira lente é chamada de lente objetiva e tem valores de ampliação típicos de\(5 \times\) até\(100 \times\). Em microscópios padrão, as objetivas são montadas de forma que, ao alternar entre as objetivas, a amostra permaneça focada. Os objetivos organizados dessa maneira são descritos como parfocais. A segunda, a ocular, também conhecida como ocular, tem várias lentes que deslizam dentro de um cano cilíndrico. A capacidade de focagem é fornecida pelo movimento da lente objetiva e da ocular. O objetivo de um microscópio é ampliar objetos pequenos, e ambas as lentes contribuem para a ampliação final. Além disso, a imagem final ampliada é produzida em um local distante o suficiente do observador para ser facilmente visualizada, já que o olho não pode focar em objetos ou imagens muito próximas.
Para ver como o microscópio na Figura 2 forma uma imagem, consideramos suas duas lentes em sucessão. O objeto está um pouco mais distante da lente objetiva do que sua distância focal\(f_{o}\), produzindo uma imagem de caso 1 maior que o objeto. Essa primeira imagem é o objeto da segunda lente ou ocular. A ocular está localizada intencionalmente para ampliar ainda mais a imagem. A ocular é colocada de forma que a primeira imagem fique mais próxima do que sua distância focal\(f_{e}\). Assim, a ocular atua como uma lupa e a imagem final fica ainda maior. A imagem final permanece invertida, mas está mais distante do observador, facilitando a visualização (o olho fica mais relaxado ao ver objetos distantes e normalmente não consegue focar a menos de 25 cm). Como cada lente produz uma ampliação que multiplica a altura da imagem, é evidente que a ampliação geral\(m\) é o produto das ampliações individuais:\[m = m_{o}m_{e} \label{26.5.1},\] onde\(m_{o}\) está a ampliação da objetiva e\(m_{e}\) a ampliação da ocular. Essa equação pode ser generalizada para qualquer combinação de lentes finas e espelhos que obedeçam às equações de lentes finas.
AMPLIAÇÃO GERAL
A ampliação geral de um sistema de vários elementos é o produto das ampliações individuais de seus elementos.
Exemplo\(\PageIndex{1}\):Microscope Magnification
Calcule a ampliação de um objeto colocado a 6,20 mm a partir de um microscópio composto que tenha uma objetiva de distância focal de 6,00 mm e uma ocular de 50,0 mm de distância focal. A objetiva e a ocular são separadas por 23,0 cm.
Estratégia e conceito:
Essa situação é semelhante à mostrada na Figura 2. Para encontrar a ampliação geral, precisamos encontrar a ampliação da objetiva e, em seguida, a ampliação da ocular. Isso envolve o uso da equação da lente fina.
Solução
A ampliação da lente objetiva é dada como\[m_{o} = -\frac{d_{i}}{d_{o}}\label{26.5.2},\] onde\(d_{o}\) e\(d_{i}\) estão as distâncias do objeto e da imagem, respectivamente, para a lente objetiva, conforme indicado na Figura 2. A distância do objeto é dada como sendo\(d_{o} = 6.20 mm\), mas a distância da imagem não\(d_{i}\) é conhecida. Isolando\(d_{i}\), temos\[\frac{1}{d_{i}} = \frac{1}{f_{o}} - \frac{1}{d_{o}} \label{26.5.3},\] onde\(f_{o}\) está a distância focal da lente objetiva. Substituindo valores conhecidos dá\[\frac{1}{d_{i}} = \frac{1}{6.00 mm} - \frac{1}{6.20 mm} = \frac{0.00538}{mm} .\] Nós invertemos isso para encontrar\(d_{i}\):\[d_{i} = 186 mm.\] Substituindo isso na expressão por\(m_{o}\) dá\[m_{o} = - \frac{d_{i}}{d_{o}} = - \frac{186 mm}{6.20 mm} = -30.0.\] Agora devemos encontrar a ampliação da ocular, que é dada por\[m_{e} = -\frac{d_{i}'}{d_{o}'},\label{26.5.4}\] onde\(d_{i}'\) e\(d_{o}'\) são a imagem e o objeto distâncias para a ocular (veja a Figura 2). A distância do objeto é a distância da primeira imagem da ocular. Como a primeira imagem está 186 mm à direita da objetiva e a ocular está 230 mm à direita da objetiva, a distância do objeto é\(d_{o}' = 230 mm - 186 mm = 44.0 mm\). Isso coloca a primeira imagem mais próxima da ocular do que sua distância focal, de forma que a ocular forme uma imagem de caso 2, conforme mostrado na figura. Ainda precisamos encontrar a localização da imagem\(d_{i}'\) final para encontrar a ampliação. Isso é feito como antes para obter um valor para\(1/d_{i}'\):\[\frac{1}{d_{i}'} = \frac{1}{f_{e}} - \frac{1}{d_{o}'} = \frac{1}{50.0 mm} - \frac{1}{44.0 mm} = - \frac{0.00273}{mm}.\] A inversão dá\[d_{i}' = - \frac{mm}{0.00273} = -367 mm.\] A ampliação da ocular é,\[m_{e} = - \frac{d_{i}'}{d_{o}'} = - \frac{-367 mm}{44.0 mm} = 8.33.\] portanto, a ampliação geral é\[m = m_{o}m_{e} = \left( -30.0 \right) \left( 8.33 \right) = -250.\]
Discussão:
Tanto a objetiva quanto a ocular contribuem para a ampliação geral, que é grande e negativa, consistente com a Figura 2, onde a imagem é vista grande e invertida. Nesse caso, a imagem é virtual e invertida, o que não pode acontecer com um único elemento (as imagens do caso 2 e do caso 3 para elementos únicos são virtuais e verticais). A imagem final está a 367 mm (0,367 m) à esquerda da ocular. Se a ocular tivesse sido colocada mais longe da objetiva, ela poderia ter formado uma imagem de caso 1 à direita. Essa imagem poderia ser projetada em uma tela, mas estaria atrás da cabeça da pessoa na figura e não seria apropriada para visualização direta. O procedimento usado para resolver esse exemplo é aplicável em qualquer sistema de vários elementos. Cada elemento é tratado sucessivamente, com cada um formando uma imagem que se torna o objeto do próximo elemento. O processo não é mais difícil do que para lentes simples ou espelhos, só que mais demorado.
Os microscópios ópticos normais podem ser ampliados até\(1500 \times \) com uma resolução teórica de\(-0.2 \mu m\). As lentes podem ser bastante complicadas e são compostas por vários elementos para reduzir as aberrações. As lentes objetivas do microscópio são particularmente importantes, pois coletam principalmente a luz da amostra. Três parâmetros descrevem as objetivas do microscópio: a abertura numérica (\(NA\)), a ampliação (\(m\)) e a distância de trabalho. O\(NA\) está relacionado à capacidade de coleta de luz de uma lente e é obtido usando o ângulo de aceitação\(\theta\) formado pelo cone máximo de raios focando na amostra (veja a Figura 3a) e é dado por\[NA = n \sin{\alpha} \label{26.5.5},\] onde\(n\) está o índice de refração do meio entre a lente e o espécime\(\alpha = \theta / 2\) e. À medida que o ângulo de aceitação dado pelo\(\theta\) aumenta,\(NA\) se torna maior e mais luz é coletada de uma região focal menor, proporcionando maior resolução. Um\(0.75 NA\) objetivo fornece mais detalhes do que um\(0.10 NA\) objetivo.
Embora a abertura numérica possa ser usada para comparar resoluções de várias objetivas, ela não indica a que distância a lente pode estar da amostra. Isso é especificado pela “distância de trabalho”, que é a distância (geralmente em mm) do elemento frontal da lente da objetiva até a amostra, ou vidro de cobertura. Quanto mais alta, mais próxima\(NA\) a lente estará da amostra e maiores serão as chances de quebrar o deslizamento da tampa e danificar a amostra e a lente. A distância focal de uma lente objetiva é diferente da distância de trabalho. Isso ocorre porque as lentes objetivas são feitas de uma combinação de lentes e a distância focal é medida de dentro do cilindro. A distância de trabalho é um parâmetro que os microscopistas podem usar mais facilmente, pois é medida a partir da lente mais externa. A distância de trabalho diminui à medida que a ampliação\(NA\) e a ampliação aumentam.
O termo\(f/ \#\) em geral é chamado de\(f\) número -e é usado para denotar a luz por unidade de área que atinge o plano da imagem. Na fotografia, uma imagem de um objeto no infinito é formada no ponto focal e o\(f\) número -é dado pela razão entre a distância focal\(f\) da lente e o diâmetro\(D\) da abertura que controla a luz na lente (veja a Figura 3b). Se o ângulo\(NA\) de aceitação for pequeno, a lente também pode ser usada conforme indicado abaixo. \[f/ \# = \frac{f}{D} \approx \frac{1}{2NA} \label{26.5.6}.\]À medida que o\(f\) número -diminui, a câmera é capaz de captar a luz de um ângulo maior, fornecendo fotografias de grande angular. Como de costume, há uma compensação. Quanto maior\(f/ \#\), menos luz atinge o plano da imagem. Uma configuração de\(f/16\) geralmente permite tirar fotos sob luz solar intensa, pois o diâmetro da abertura é pequeno. Nas fibras ópticas, a luz precisa ser focada na fibra. A Figura 4 mostra o ângulo usado no cálculo\(NA\) de uma fibra óptica.
Pode\(NA\) ser maior que 1,00? A resposta é “sim” se usarmos lentes de imersão nas quais um meio como óleo, glicerina ou água é colocado entre a objetiva e a tampa do microscópio. Isso minimiza a incompatibilidade nos índices de refração à medida que os raios de luz passam por diferentes meios, geralmente fornecendo uma maior capacidade de captação de luz e um aumento na resolução. A Figura 5 mostra os raios de luz ao usar lentes de ar e de imersão.
Ao usar um microscópio, não vemos toda a extensão da amostra. Dependendo da ocular e da lente objetiva, vemos uma região restrita que dizemos ser o campo de visão. O objetivo é então manipulado em duas dimensões acima da amostra para visualizar outras regiões da amostra. A varredura eletrônica da objetiva ou da amostra é usada na microscopia de varredura. A imagem formada em cada ponto durante a digitalização é combinada usando um computador para gerar uma imagem de uma região maior da amostra em uma ampliação selecionada.
Ao usar um microscópio, contamos com a coleta de luz para formar uma imagem. Portanto, a maioria das amostras precisa ser iluminada, especialmente em ampliações mais altas, ao observar detalhes tão pequenos que refletem apenas pequenas quantidades de luz. Para tornar esses objetos facilmente visíveis, a intensidade da luz que incide sobre eles precisa ser aumentada. Sistemas especiais de iluminação chamados condensadores são usados para essa finalidade. O tipo de condensador adequado para uma aplicação depende de como a amostra é examinada, seja por transmissão, dispersão ou reflexão. Veja a Figura 6 para ver um exemplo de cada um. Fontes de luz branca são comuns e os lasers são frequentemente usados. A iluminação da luz laser tende a ser bastante intensa e é importante garantir que a luz não resulte na degradação da amostra.
Normalmente associamos microscópios à luz visível, mas microscópios de raios X e eletrônicos fornecem maior resolução. O foco e a física básica são os mesmos que acabamos de descrever, embora as lentes exijam tecnologias diferentes. O microscópio eletrônico requer câmaras de vácuo para que os elétrons possam prosseguir sem serem atendidos. Ampliações de 50 milhões de vezes fornecem a capacidade de determinar as posições de átomos individuais nos materiais. Um microscópio eletrônico é mostrado na Figura 7. Não usamos nossos olhos para formar imagens; em vez disso, as imagens são gravadas eletronicamente e exibidas em computadores. Na verdade, observar e salvar imagens formadas por microscópios ópticos em computadores agora é feito rotineiramente. Gravações de vídeo do que ocorre em um microscópio podem ser feitas para serem vistas por muitas pessoas em datas posteriores. A física fornece a ciência e as ferramentas necessárias para gerar a sequência de imagens de meiose com lapso de tempo semelhante à sequência esboçada na Figura 8.
EXPERIÊNCIA PARA LEVAR PARA CASA: FAÇA UMA LENTE
Olhe através de uma garrafa de vidro ou plástico transparente e descreva o que você vê. Agora encha a garrafa com água e descreva o que você vê. Use a garrafa de água como lente para produzir a imagem de um objeto brilhante e estimar a distância focal da lente da garrafa de água. Como a distância focal é função da profundidade da água na garrafa?
Resumo
- O microscópio é um sistema de vários elementos com mais de uma única lente ou espelho.
- Muitos dispositivos ópticos contêm mais do que uma única lente ou espelho. Eles são analisados considerando cada elemento sequencialmente. A imagem formada pela primeira é o objeto da segunda, e assim por diante. As mesmas técnicas de traçado de raios e lentes finas se aplicam a cada elemento da lente.
- A ampliação geral de um sistema de vários elementos é o produto das ampliações de seus elementos individuais. Para um sistema de dois elementos com uma objetiva e uma ocular,\(m_{o}\) é\[m = m_{o}m_{e},\] aqui que está a ampliação da objetiva e\(m_{e}\) a ampliação da ocular, como em um microscópio.
- Os microscópios são instrumentos que nos permitem ver detalhes que não conseguiríamos ver a olho nu e consistem em uma variedade de componentes.
- A ocular e a objetiva contribuem para a ampliação. A abertura numérica (\(NA\)) de uma objetiva é dada por\[NA = n \sin{\alpha}\] onde\(n\) está o índice de refração e\(\alpha\) o ângulo de aceitação.
- As técnicas de imersão são frequentemente usadas para melhorar a capacidade de captação de luz dos microscópios. A amostra é iluminada por luz transmitida, dispersa ou refletida por meio de um condensador.
- O\(f / \#\) descreve a capacidade de captação de luz de uma lente. É dado por\[f / \# = \frac{f}{D} \approx \frac{1}{2NA}.\]
Glossário
- microscópio composto
- um microscópio construído a partir de duas lentes convexas, a primeira servindo como lente ocular (próxima ao olho) e a segunda servindo como lente objetiva
- lente objetiva
- a lente mais próxima do objeto que está sendo examinado
- ocular
- a lente ou combinação de lentes em um instrumento óptico mais próximo do olho do observador
- abertura numérica
- um número ou medida que expressa a capacidade de uma lente de resolver detalhes finos em um objeto que está sendo observado. Derivado pela fórmula matemática,\[NA = n \sin{\alpha},\] onde\(n\) é o índice de refração do meio entre a lente e a amostra e\(\alpha = \theta /2\)