Глаз человека устроен так, что не может отчетливо разглядеть предмет, если его размеры меньше 0,1 мм. Между тем в природе существует множество микроорганизмов различимых по размерам. Это различные микроорганизмы, клетки растительных и животных тканей, элементы структуры веществ и многое другое. При изучении подобных объектов человеку помогает микроскоп — оптический прибор, дающий сильно увеличенное изображение предметов, не видимых глазом. О назначении прибора говорит и его название, составленное из двух греческих слов: mikros — малый, маленький, skopeo — смотрю.
Имеются сведения, что около 1590 г. прибор типа микроскопа был создан в Нидерландах 3. Янсеном. Более совершенный прибор, в котором можно найти черты современного микроскопа, сконструировал в 1665 г. известный английский физик Р. Гук. Рассматривая под микроскопом тонкие срезы растительных и животных тканей, он открыл клеточное строение организмов. А в 1673—1677 гг. в Нидерландах А. Левенгук с помощью микроскопа обнаружил не известный ранее людям мир микроорганизмов.
При использовании микроскопа исследуемый предмет (препарат, образец, биологический объект) помещают на предметном столике. Над столиком располагают устройство, в котором смонтированы линзы объектива и тубус — трубка с окулярами. Наблюдаемый объект освещается с помощью системы, состоящей из лампы, наклонного зеркала и линзы. Объектив собирает лучи, рассеянные предметом, и образует увеличенное изображение предмета, которое можно рассматривать с помощью ет множество объектов, значительно меньших окуляра. Увеличение микроскопа зависит от фокусных расстояний объектива и окуляра. Оптический микроскоп может увеличивать в 2000 раз.
Для настройки оптической системы и фокусирования изображения микроскоп снабжен специальными регулировочными винтами. Вращая их, можно добиться наибольшей четкости изображения, а также менять степень увеличения.
Существует также целый ряд дополнительных приспособлений к микроскопу, которые значительно расширяют его возможности. С помощью специальных приспособлений — микрофотонасадок — можно присоединить фотоаппарат и сфотографировать объект. Вооружившись микроманипулятором, который представляет собой систему штативов с укрепленными на них микроинструментами, исследователь может, например, прямо под микроскопом препарировать какой-нибудь биологический объект.
А как быть, если объект, например вирус, настолько мал, что увеличения оптического микроскопа недостаточно? Найти выход помогли электроны (см. Электроника). Физики установили, что движущийся электрон ведет себя как волна. Причем длина волны электрона примерно в 50 ООО раз короче световой, значит, и размеры объекта, который удается рассмотреть в лучах «электронного света», могут быть намного меньше. И в начале 1930-х гг. был построен первый электронный микроскоп.
В отличие от оптического в электронном микроскопе вместо лучей света используют быстрые электроны, а вместо стеклянных линз — электромагнитные катушки, или электронные линзы. Источник электронов для «освещения» объекта — электронная «пушка». Металлический катод 2 испускает электроны, они собираются в пучок с помощью фокусирующего электрода 3 и набирают энергию под действием сильного электрического поля, действующего в пространстве между катодом и анодом .
Чтобы создать это поле, к электродам прикладывается высокое напряжение — 100 кВ и более.
Пучок электронов, выходящий из электронной «пушки», с помощью конденсорной линзы 4 направляется на объект, рассеивается на нем и фокусируется объективной линзой 5, которая создает промежуточное изображение объекта 7. Проекционная линза 6" вновь собирает электроны и создает второе, еще более увеличенное изображение на люминесцентном экране, на котором под действием ударяющихся в него электронов возникает светящаяся картина объекта. Поместив под экраном фотопластинку, можно получить фотографию изображения.
Узлы электронного микроскопа, схематически показанные на рисунке, объединяются в одну общую конструкцию, которая условно называется колонной. Внутри колонны на всем пути электронов поддерживается вакуум с давлением до 100 мкПа. Это нужно для того, чтобы электроны не рассеивались на постороннем веществе (атомах и молекулах газа), иначе изображение будет искажаться. Для создания высокого напряжения и питания обмоток электронных линз требуются стабильные источники электрического тока, которые размещаются в основании электронного микроскопа. Здесь же находится и пульт управления микроскопом.
Конечное увеличение электронного микроскопа определяется произведением увеличений объективной и проекционной линз, наблюдаемый объект при этом увеличивается в 20 000 — 40 000 раз.
Для большего увеличения на некоторых конструкциях между объективной и проекционной линзами помещают еще одну линзу, которая позволяет довести увеличение до нескольких сотен тысяч раз. Наименьшие размеры предметов, которые можно различать в электронных микроскопах, очень малы — несколько десятых долей нанометра.