顯微鏡與望遠鏡

在七年級的生物課上，我們曾借助于一個神奇的光學儀器觀察到了洋蔥的表皮細胞，從而獲得了對細胞結構的初步認識，老師也一定給你介紹過那個結構“奇特”的工具——顯微鏡.它一般是用幾個透鏡的組合構成的一種光學儀器，也是人類進入原子時代的標志.顯微鏡分光學顯微鏡和電子顯微鏡.

光學顯微鏡是在1590年由荷蘭的楊森父子首先發(fā)明的，但最初的光學顯微鏡的放大倍率很小，現(xiàn)在的光學顯微鏡的最大放大倍率約為2000倍，分辨的最小極限達0.2微米.普通光學顯微鏡的構造主要分為三部分：機械部分、照明部分和光學部分.它的機械部分由鏡座（詳見附圖）、鏡柱、鏡臂、鏡筒、物鏡轉(zhuǎn)換器（簡稱“旋轉(zhuǎn)器”）、鏡臺（載物臺）、調(diào)節(jié)器幾部分組成；它的照明部分裝在鏡臺下方，包括反光鏡，集光器；它的光學部分主要由物鏡和目鏡組成.物鏡裝在鏡筒下端的旋轉(zhuǎn)器上，靠近被觀察物體，它的功能相當于投影儀的鏡頭，能使被觀察的物體通過它成倒立、放大的實像.每臺顯微鏡一般有3～4個物鏡，其中最短的刻有“10×”符號的為低倍鏡，較長的刻有“40×”符號的為高倍鏡，最長的刻有“100×”符號的為油鏡.在高倍鏡和油鏡上還常加有一圈不同顏色的線，以示區(qū)別.眼睛貼在上面觀察的鏡叫目鏡，它相當于普通的放大鏡，通過物鏡所成放大的實像又通過目鏡成正立、放大的虛像.目鏡裝在鏡筒的上端，通常備有2～3個，上面刻有“5×”“10×”或“15×”符號以表示其放大倍數(shù).顯微鏡的放大倍數(shù)是物鏡的放大倍數(shù)與目鏡的放大倍數(shù)的乘積，如物鏡為10×，目鏡為10×，其放大倍數(shù)就為10×10=100.顯微鏡的目鏡長度越長，放大倍數(shù)越低；物鏡長度越長，放大倍數(shù)越高.普通顯微鏡常用來觀察生物切片、生物細胞、細菌以及活體組織培養(yǎng)、流質(zhì)沉淀等，同時可以觀察其他透明或者半透明物體以及粉末、細小顆粒等物體.

電子顯微鏡由鏡筒、真空系統(tǒng)和電源柜三部分組成.鏡筒主要有電子槍、電子透鏡、樣品架、熒光屏和照相機構等部件.其中電子透鏡是電子顯微鏡鏡筒中最重要的部件，它用一個對稱于鏡筒軸線的空間電場或磁場使電子軌跡向軸線彎曲形成聚焦，其作用與玻璃凸透鏡使光束聚焦的作用相似，所以稱為電子透鏡.分辨能力是電子顯微鏡的重要指標，現(xiàn)代電子顯微鏡最大放大倍率超過300萬倍，所以通過電子顯微鏡就能直接觀察到某些重金屬的原子和晶體中排列整齊的原子點陣.電子顯微鏡的分辨本領雖已遠勝于光學顯微鏡，但電子顯微鏡因需在真空條件下工作，所以很難觀察活的生物，而且電子束的照射也會使生物樣品受到輻照損傷.

顯微鏡是幫助我們深入物質(zhì)內(nèi)部、觀察和了解物質(zhì)微小結構的重要工具，它在新材料開發(fā)研究等現(xiàn)代科技發(fā)展中發(fā)揮著極其重要的作用.但是，我們知道，人類發(fā)展的進程還伴隨著對浩瀚宇宙的觀察和研究，在這方面，望遠鏡發(fā)揮了巨大的作用.

最常見的望遠鏡只是望遠鏡大家族中的一種——伽利略望遠鏡（如左下圖所示）.它是用凹透鏡作目鏡、凸透鏡為物鏡組成的.物體經(jīng)過物鏡成正立縮小實像，該實像又在目鏡的一倍焦距以內(nèi)，經(jīng)目鏡成一放大的正立虛像.伽利略望遠鏡的放大率等于物鏡焦距與目鏡焦距的比值.伽利略望遠鏡在人類認識自然的歷史中占有重要地位，其優(yōu)點是結構簡單、光能損失少、鏡筒短、很輕.

1611年，德國天文學家開普勒用兩片雙凸透鏡分別作為物鏡和目鏡，物體經(jīng)過物鏡成倒立放大的實像，該實像再經(jīng)過目鏡成正立放大的虛像（成像原理如右上圖所示），這樣物體就經(jīng)過兩次放大使放大倍數(shù)有了明顯的提高，以后人們將這種光學系統(tǒng)稱為開普勒式望遠鏡.它需要在物鏡后面添加棱鏡組或透鏡組來轉(zhuǎn)像，使眼睛觀察到的是正立的像.

伽利略望遠鏡和開普勒望遠鏡都是用透鏡作物鏡的望遠鏡，我們統(tǒng)稱為折射式望遠鏡.由于折射望遠鏡的成像質(zhì)量好，視場大，使用方便，易于維護，中小型天文望遠鏡及許多專用儀器多采用折射系統(tǒng)，但大型折射望遠鏡制造起來比較困難，因為冶煉大口徑的優(yōu)質(zhì)透鏡非常困難，且存在玻璃對光線的吸收問題.

1668年，牛頓用2.5厘米直徑的金屬，磨制成一塊凹面反射鏡作為主鏡，并在主鏡的焦點前面放置了一個與主鏡成45°角的反射鏡，使經(jīng)主鏡反射后的會聚光經(jīng)反射鏡以90°角反射出鏡筒后到達目鏡.它的優(yōu)點是沒有色差，能在廣泛的可見光范圍內(nèi)記錄天體發(fā)出的信息，且相對于折射望遠鏡比較容易制作，因此主要用于天體物理方面的觀察和研究工作.

人類在發(fā)明望遠鏡的道路上一直沒有停步！1931年，德國光學家施密特用一塊別具一格的接近于平行板的非球面薄透鏡作為改正鏡，與球面反射鏡配合，制成了可以消除球差和軸外像差的施密特式折反射望遠鏡，它也是現(xiàn)在世界上最大的折反射望遠鏡，其改正口徑為1.35米，主鏡口徑為2米.由于折反射式望遠鏡能兼顧折射和反射兩種望遠鏡的優(yōu)點，相對口徑更大，光力強，視場廣闊，像質(zhì)優(yōu)良，適用于巡天攝影和觀測星云、彗星、流星等天體，尤其是對暗弱星云的拍照效果非常突出，得到了廣大天文愛好者的喜愛.

上述三類望遠鏡統(tǒng)稱為光學望遠鏡，但是在現(xiàn)代天文學中，天文望遠鏡包括了射電望遠鏡、紅外望遠鏡、X射線和伽馬射線望遠鏡.近年來天文望遠鏡的概念又進一步地延伸到了引力波、宇宙射線和暗物質(zhì)的領域.從1608年人類歷史上的第一架望遠鏡誕生起，經(jīng)過400多年的發(fā)展，望遠鏡的功能越來越強大，觀測的距離也越來越遠.

顯微鏡和望遠鏡的不斷發(fā)展和廣泛應用，加快了人類揭秘物質(zhì)世界的進程，為人類文明的發(fā)展立下汗馬功勞，而這其中的每一個環(huán)節(jié)、每一次進步與革新都離不開科學家們的努力，正是他們的不懈努力，才讓科學不斷彰顯出它強大的力量！