Микронивелир
Микронивели'р (от микро... и нивелир ), измерительный прибор в виде накладного уровня для высокоточного определения превышений точек или наклона опорных плоскостей различных установок; состоит из подставки с подъёмным винтом и роликами для передвижения, точного цилиндрического уровня, индикатора часового типа. Подставка опирается на плоскость двумя полусферическими головками, расстояние между которыми (база прибора) может меняться от 500 до 2000 мм. Одна из опорных головок сделана подвижной и связана со штифтом индикатора. При микронивелировании прибор устанавливают на выверяемых точках, подъёмным винтом приводят пузырёк уровня на нульпункт и берут отсчёт по индикатору. М. переставляют на 180° и повторяют отсчёт. Превышение между точками равно полуразности отсчётов. Точность измерения превышения составляет 5—10 мкм.
Микронуклеус
Микрону'клеус (от микро... и лат. nucleus — ядро), меньшее (генеративное) ядро у инфузорий . М. обычно диплоиден, делится путём митоза ; при половом процессе у инфузорий — конъюгации — вступает в мейоз и даёт начало половым ядрам — т. н. пронуклеусам. В вегетативном периоде генетический аппарат М. неактивен, не синтезирует рибонуклеиновую кислоту и на фенотип инфузорий не влияет.
Микроорганизмов факторы роста
Микрооргани'змов фа'кторы ро'ста, биологически активные вещества (ряд аминокислот, витамины, пуриновые и пиримидиновые основания, стерины и др.), в отсутствии которых многие микроорганизмы не растут даже на питательных средах, содержащих необходимые источники энергии, углерода и азота. М. ф. р. оказывают действие в ничтожных количествах. Неспороносные бактерии (Pseudomonas, Mycobacterium), многие плесневые грибы (Aspergillus, Penicillium) и др. микроорганизмы не нуждаются в М. ф. р., так как способны их синтезировать.
Аминокислоты необходимы для биосинтеза белка, пуриновые и пиримидиновые основания — для образования нуклеиновых кислот. Среди М. ф. р. особенно важны витамины, являющиеся коферментами многих ферментов. Так, пиридоксин (витамин B6 ) участвует в переаминировании и дезаминировании аминокислот, тиамин (витамин B1 ) — в декарбоксилировании и т. д. Некоторые виды дрожжей, молочнокислые бактерии не растут на питательных средах без биотина, тиамина, пантотеновой и никотиновой кислот, пиридоксина и др. Считали, что некоторые болезнетворные микроорганизмы растут только на средах, содержащих кровь или её сыворотку, асцитическую жидкость, молочную сыворотку, дрожжевой автопизат. Оказалось, что эти микробы могут расти и без таких веществ, если к питательной среде добавить соответствующие М. ф. р. Если М. ф. р. имеют сложное химическое строение, то потребность в них у разных микроорганизмов может варьировать. Так, в состав молекулы тиамина входят остатки тиазола и пиридина. Одни виды нуждаются в готовом тиамине, другие синтезируют его, если в среде есть тиазол и пиридин, третьи растут на среде с тиазолом, т. к. синтезируют пиридин, а затем и тиамин, четвёртые размножаются в присутствии пиридина, синтезируя тиазол, а потом и тиамин. Т. н. дикие формы микроорганизмов, способные к синтезу М. ф. р., называются прототрофными. Воздействуя на них мутагенами, можно получить мутанты, нуждающиеся в том или ином М. ф. р. Их называют ауксотрофными или дефицитными мутантами и применяют для количественного определения витаминов, аминокислот и т. д., а также при селекции мутантов, образующих повышенные количества этих веществ. Способность к синтезу М. ф. р. может определять характер взаимоотношений между организмами. Так, если определённый вид дрожжей не растет из-за отсутствия в питательной среде М. ф. р., то подсев и размножение вида, синтезирующего их, приведёт к одновременному росту обоих видов. У некоторых насекомых и ракообразных имеются микроорганизмы-симбионты, размножающиеся в кишечнике или особых органах и снабжающие организм хозяина различными витаминами, аминокислотами и т. п. Микроорганизмы, обитающие в рубце и кишечнике жвачных, а также в кишечнике др. животных и человека, выполняют ту же функцию (см. Кишечная флора ).
Лит.: Одинцова Е. Н., Микробиологические методы определения витаминов, М., 1959; Иерусалимский Н. Д., Основы физиологии микробов, М., 1963; Роуз Э., Химическая микробиология, пер. с англ., М., 1971.
А. А. Имшенецкий.
Микроорганизмы
Микрооргани'змы, микробы, обширная группа преимущественно одноклеточных живых существ, различимых только под микроскопом и организованных проще, чем растения и животные. К М. относятся бактерии , микоплазмы , актиномицеты , дрожжи , микроскопические грибы и водоросли (иногда к М. причисляются простейшие и вирусы ). М. делят на прокариотов (примитивное ядро содержит одну хромосому, не имеет оболочки и делится перетяжкой, в цитоплазме отсутствуют митохондрии , большинство форм лишено хроматофоров) и эукариотов, сходных с клетками высших растений и животных (ядро содержит набор хромосом, имеет оболочку; у многих нормальный половой цикл, клетки их содержат эндоплазматическую сеть и митохондрии, у фотосинтетиков — хлоропласты). К М.-прокариотам относят бактерии, микоплазмы, актиномицеты, синезелёные водоросли, к М.-эукариотам — дрожжи, микроскопические грибы и водоросли. Изучением М. занимается микробиология .
Морфология и жизненный цикл М. очень разнообразны. Так, большинство М. — одноклеточные. Однако многие плесневые грибы имеют многоклеточный мицелий. М., как правило, не содержат хлорофилла , но пурпурные и зелёные фотоавтотрофные бактерии, как и микроскопические водоросли, содержат фотосинтетические пигменты — бактериохлорофиллы и хлорофилл. Бактерии размножаются делением, дрожжи и микобактерии — почкованием, плесневые грибы — делением клеток и образованием конидий и спор. Бактерии произошли от различных в систематическом отношении организмов, актиномицеты родственны грибам, некоторые нитчатые бактерии близки к синезелёным водорослям, спирохеты — к простейшим и т.д. Все М. делят на патогенные (болезнетворные) и непатогенные. Возбудители большинства инфекционных заболеваний — бактерии, значительно реже — дрожжи, плесневые грибы, актиномицеты.
Микроскопические грибы, образующие пушистые налёты (колонии) белого, зелёного или чёрного цвета на пищевых продуктах, стали известны человеку раньше, чем дрожжи или бактерии. Изучение дрожжей и бактерий с помощью микроскопа было осложнено тем, что они выращивались на жидких питательных средах, что затрудняло получение чистых культур . Введение в практику плотных питательных сред открыло возможности для выращивания изолированных колоний определённого вида бактерий или дрожжей и тем самым — для изучения их различных свойств. Разработаны методы характеристики и определения систематического положения М. (см. Микробиологическая техника ).
М. широко распространены в природе. В 1 г почвы или грунта водоёма может содержаться 2—3 млрд. М. Полагают, что современной микробиологии известно не более 10% видов М., существующих в природе: ежегодно описываются всё новые роды и виды М. (так, в 40—60-е гг. 20 в. число изученных видов актиномицетов возросло с 35 до 350).
В процессе эволюции М. адаптировались к самым различным экологическим условиям. Известны бактерии, размножающиеся при 65—75 °С (см. Термофильные организмы ), психрофильные микроорганизмы , растущие при минус 6 °С, галофильные микроорганизмы , размножающиеся в среде, содержащей до 25% NaCl, бактерии, которые обитают в воде, охлаждающей атомные реакторы, и переносят облучение в 3—4 млн. р, осмофильные дрожжи, живущие в мёде и варенье, ацидофильные бактерии, размножающиеся в кислых средах при pH 1,0, баротолерантные бактерии , выдерживающие давление в несколько сот атм . Необычайная устойчивость М. к различным факторам внешней среды позволяет им занимать крайние границы биосферы: их обнаруживают в грунте океана на глубине 11 км, на поверхности ледников и снега в Арктике, Антарктике и высоко в горах, в почве пустынь, в атмосфере на высоте 20 км и т.д.
Благодаря успехам биохимии М. и особенно развитию генетики микроорганизмов и молекулярной генетики было выяснено, что многие процессы биосинтеза и энергетического обмена (транспорт электронов, цикл трикарбоновых кислот, синтез нуклеиновых кислот, белка и др.) протекают у М. также, как в клетках высших растений и животных. Т. о., в основе роста, развития, размножения как высших, так и низших форм жизни лежат единые процессы. Наряду с этим М. присущи специфические ферментные системы и биохимические реакции, не наблюдаемые у др. существ. На этом основана способность М. разлагать целлюлозу, лигнин, хитин, углеводороды нефти, кератин, воск и др. Необычайно разнообразны у М. пути получения энергии. Хемоавтотрофы получают её за счёт окисления неорганических веществ, фотоавтотрофные бактерии используют энергию света в той части спектра, которая недоступна высшим растениям, и т.д. Некоторые М. способны усваивать молекулярный азот (см. Азотфиксирующие микроорганизмы ), синтезировать белок за счёт самых различных источников углерода, вырабатывать множество биологически активных веществ (антибиотики, ферменты, витамины, стимуляторы роста, токсины и др.). Применение М. в с.-х. практике и промышленности основано на этих специфических особенностях их обмена веществ. См. также ст. Брожение , Микробиологический синтез и литературу при них.
А. А. Имшенецкий.
Микропиле
Микропи'ле (от микро... и греч. pýle — ворота, отверстие), 1) одно или несколько отверстий в оболочке яиц насекомых, паукообразных, некоторых моллюсков, рыб и ряда др. животных, через которые сперматозоид проникает в яйцо. См. также Оплодотворение . 2) Пыльцевход, семявход, отверстие на вершине семяпочки у высших семенных растений, через которое в неё при опылении проникает пыльцевая трубка. М. образуется вследствие того, что остаются несомкнутыми покровы, окружающие семяпочку.
Микропористые резины
Микропо'ристые рези'ны, пористые материалы с размером пор ~ 0,4 мкм, получаемые из твёрдых каучуков и латексов; см. также Пористые резины .
Микропривод
Микроприво'д, электропривод с исполнительным электродвигателем мощностью примерно до 500 вт. Применяется в устройствах автоматики, кино- и радиоаппаратуре, бытовых электроприборах и др. Различают М. постоянного и переменного тока. В качестве регуляторов в М. постоянного тока служат магнитные и транзисторные усилители, в реверсивных М. — двухтактные магнитные усилители с внутренней обратной связью.
В М. переменного тока для управления исполнительными электродвигателями применяют магнитные и магнитно-полупроводниковые усилители, а также преобразователи частоты на транзисторах и тиристорах. При этом частота вращения электродвигателей регулируется изменением амплитуды и частоты напряжения на статорной обмотке. Необходимая жёсткость механических характеристик электродвигателей достигается введением обратной связи по частоте вращения.
Лит.: Авен О. И., Доманицкий С. М., Бесконтактные исполнительные устройства промышленной автоматики, М. — Л., 1960.
Микропричинности условие
Микропричи'нности усло'вие, требование, согласно которому условие причинности (причина должна предшествовать во времени следствию) выполняется вплоть до сколь угодно малых расстояний и промежутков времени. Обычно М. у. относят к расстояниям £ 10-14 см и временам £ 10-24 сек.
В относительности теории показывается, что допущение о существовании физических сигналов, распространяющихся со сверхсветовой скоростью, приводит к нарушению требования причинности. Таким образом, М. у. означает запрет на сверхсветовые сигналы «в малом». В квантовой теории, где физическим величинам ставятся в соответствие операторы , М. у. выступает как требование переставимости любых операторов, относящихся к двум точкам пространства-времени, если эти точки нельзя связать световым сигналом; такая переставимость означает, что физические величины, которым соответствуют эти операторы, могут быть точно определены независимо и одновременно. М. у. существенно в квантовой теории поля , особенно в дисперсионном и аксиоматическом подходах, которые не опираются на конкретные модельные представления о взаимодействии и поэтому могут быть использованы для прямой проверки М. у. В наиболее разработанной части квантовой теории поля — квантовой электродинамике М. у. экспериментально проверено до расстояний ³ 10-15 см (и соответственно, времён ³ 10-25 сек ).
Нарушение М. у. привело бы к необходимости радикального изменения способа описания физических процессов, отказа от принятого в современных теориях динамического описания, при котором состояние физической системы в данный момент времени (следствие) определяется её состояниями в предшествующие моменты времени (причина).
Лит. см. при ст. Квантовая теория поля , Причинности принцип .
В. И. Григорьев.
Микропрограмма
Микропрогра'мма, связная совокупность микрокоманд в цифровых вычислительных машинах. Каждая микрокоманда указывает выполняемые микрооперации или микроприказы, адрес следующей микрокоманды, продолжительность самой микрокоманды и особые действия, относящиеся к операциям контроля. Одна М. может вызывать другую в качестве микроподпрограммы. Меняя последовательность и состав микрокоманд, т. е. изменяя структуру М., можно изменять систему команд ЦВМ, приспосабливая её к определённому классу задач или обеспечивая программную совместимость с др. ЦВМ. М. обычно хранятся в специализированной памяти, более быстродействующей, чем оперативная память. Длина М. обычно составляет от 10 до 100 микрокоманд, а микрокоманда занимает от 16 до 100 и более двоичных разрядов. Объём М. в малых ЦВМ составляет 256—1024 16-разрядных слова, в средних и больших ЦВМ от 1024 до 819650 — 100-разрядных слов.
Лит.: Булей Г., Микропрограммирование, пер. с франц., под ред. М. Л. Пебарта, М., 1973.
А. В. Гусев.
Микропрограммное управление
Микропрогра'ммное управле'ние, вид иерархического управления работой цифровых вычислительных машин, при котором каждая команда является обращением к последовательности т. н. микрокоманд, обычно более низкого уровня, чем сама команда. Набор микрокоманд называется микропрограммой и обычно хранится в постоянной памяти ЦВМ, составляющей неотъемлемую часть устройства управления. Записанные в памяти микрокоманды определяют работу всех устройств машины, выбирая в каждом такте нужные совокупности элементарных машинных операций, а последовательность микрокоманд обеспечивает выполнение заданной команды. Микрокоманда может содержать три части: оперативную, в которой указываются управляющие входы всех исполнительных устройств машины; адресную, определяющую адрес следующей микрокоманды с учётом условий логических переходов (передач управления); временную, определяющую время выполнения микрокоманды. При этом код конкретной операции программы совпадает с адресом первой микрокоманды соответствующей микропрограммы.
Достоинства М. у. состоят в том, что оно обеспечивает операционную гибкость ЦВМ и возможность изменения системы команд и состава машинных операций в зависимости от особенностей решаемых задач и условий применения машины; позволяет сравнительно престо реализовать различные сложные операции при значительной экономии машинного времени; даёт возможность строить диагностические микротесты для определения с большой точностью места неисправности в машине. Основной недостаток, обусловливающий ограниченное распространение М. у., — необходимость применения быстродействующих запоминающих устройств небольшого объёма (несколько тыс. слов) с временем обращения, соизмеримым с временем выполнения элементарных операций в исполнительных устройствах. В вычислительных машинах 3-го поколения широко используется также метод управления, при котором микропрограмма реализуется с помощью системы устройств, а не в виде команд, записанных в памяти ЭВМ; высокое быстродействие, большие объёмы оперативной памяти и богатое математическое обеспечение этих машин позволяют сделать управление более эффективным, чем при М. у. в ЦВМ 2-го поколения.
В. П. Исаев.
Микропроекция
Микропрое'кция (от микро... и лат. projectio, буквально — выбрасывание вперёд), способ получения на экране (а при микрофото- и микрокиносъёмке — на фоточувствительном слое) даваемых микроскопом изображений оптических малых объектов. При М. объектив 2 микроскопа (рис. ) образует, как обычно, увеличенное действительное изображение 1’ объекта 1; окуляр же 3 работает как проекционная система (для этого микроскоп фокусируют так, чтобы 1’ находилось перед передним фокусом F окуляра) и создаёт действительное изображение 1’’ на экране 4. Линейное увеличение оптическое при М.
где bоб и — номинальные значения увеличении объектива и окуляра, f’oк — фокусное расстояние окуляра, К — расстояние от окуляра до экрана. М. применяют также для получения изображений микроскопических объектов на фотокатоде электроннооптического преобразователя при исследованиях в ультрафиолетовых и инфракрасных лучах, на светочувствительном слое передающей трубки в телевизионной микроскопии и т.д.
Лит . см. при ст. Микроскоп .
Л. А. Федин.
Принципиальная схема образования изображения при микропроекции.
Микрорайон
Микрорайо'н (от микро... и район ), первичная единица современной жилой застройки города. М. состоит из комплекса жилых домов и расположенных вблизи них учреждений повседневного культурно-бытового обслуживания населения (детские сады и ясли, школы, столовые, магазины товаров первой необходимости), спортивных площадок и садов. Наиболее последовательное проведение принципа микрорайонирования возможно преимущественно при застройке свободных территорий.
Вильнюс. Жилой район Жирмунай. Микрорайон № 18. 1968. Архитекторы Б. Б. Кас перавичене, Б. Л. Круминис, инженеры В. В. Зубрус, Ш. И. Любецкис. План: 1 — пятиэтажные дома; 2 — девятиэтажные дома; 3 — блоки первичного обслуживания 4 — детские сады-ясли; 5 — магазины; 6 — школа; 7 — общественно-торговый центр микрорайона. (Пунктиром обозначен берег р. Нярис.)
Микроракетный двигатель
Микрораке'тный дви'гатель, ракетный двигатель с тягой от нескольких десятков до сотых долей н (с многократным запуском и большим числом срабатываний). М. д. применяют в основном в качестве стабилизирующих и ориентационных двигателей, а также индивидуальных, служащих для передвижения космонавта в свободном полёте вне кабины (рис. ).
Микроракетный жидкостный двигатель тягой 2—450 мн , работающий на метане и кислороде; предназначен для системы ориентации космических летательных аппаратов (США).
Микрорельеф
Микрорелье'ф, формы рельефа, являющиеся как бы деталями более крупных форм поверхности того или иного участка Земли (например, бугры, прирусловые валы и косы, небольшие воронки, полигональные грунты, песчаная рябь, степные блюдца и др.). М. обязан своим происхождением прежде всего экзогенным рельефообразующим факторам. См. также Рельеф .
Микросварка
Микросва'рка, сварка деталей из цветных и чёрных металлов малой толщины (менее 0,5 мм ) и сечений (до 10 мм2 ), а также деталей из металлов с полупроводниковыми кристаллами. При М. применяют оптические приборы (лупу или микроскоп), которые крепятся на сварочной машине. В зависимости от особенностей свариваемых изделий, технологических и др. требований выполняют контактную, электрическую или конденсаторную М., холодную, ультразвуковую, термокомпрессионную, электроннолучевую, лазерную и др., а также комбинированную М. Применяют в электронной, радиотехнической промышленности, приборостроении и др. отраслях (см. Сварка ).
Микроскоп ионный
Микроско'п ио'нный, см. Ионный микроскоп .
Микроскоп (оптич. прибор)
Микроско'п (от микро... и греч. skopéo — смотрю), оптический прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), невидимых невооружённым глазом. Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, т. е. наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличены один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта на т. н. расстояние наилучшего видения (D = 250 мм ) минимальное разрешение составляет примерно 0,08 мм (а у многих людей — около 0,20 мм ). Размеры микроорганизмов , большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов, деталей микроструктуры металлов и сплавов и т. п. значительно меньше этой величины. Для наблюдения и изучения подобных объектов и предназначены М. различных типов. С помощью М. определяют форму, размеры, строение и многие другие характеристики микрообъектов. М. даёт возможность различать структуры с расстоянием между элементами до 0,20 мкм.
Историческая справка. Свойство системы из двух линз давать увеличенные изображения предметов было известно уже в 16 в. в Нидерландах и Северной Италии мастерам, изготовлявшим очковые стекла. Имеются сведения, что около 1590 прибор типа М. был построен З. Янсеном (Нидерланды). Быстрое распространение М. и их совершенствование, главным образом ремесленниками-оптиками, начинается с 1609—10, когда Г. Галилей , изучая сконструированную им зрительную трубу , использовал её и в качестве М., изменяя расстояние между объективом и окуляром. Первые блестящие успехи применения М. в научных исследованиях связаны с именами Р. Гука (около 1665; в частности, он установил, что животные и растительные ткани имеют клеточное строение) и особенно А. Левенгука , открывшего с помощью М. микроорганизмы (1673—77). В начале 18 в. М. появились в России: здесь Л. Эйлер (1762; «Диоптрика», 1770—71) разработал методы расчёта оптических узлов М. В 1827 Дж. Б. Амичи впервые применил в М. иммерсионный объектив. В 1850 английский оптик Г. Сорби создал первый М. для наблюдения объектов в поляризованном свете.
Широкому развитию методов микроскопических исследований и совершенствованию различных типов М. во 2-й половине 19 и в 20 вв. в значительной степени способствовала научная деятельность Э. Аббе , который разработал (1872—73) ставшую классической теорию образования изображений несамосветящихся объектов в М. Английский учёный Дж. Сиркс в 1893 положил начало интерференционной микроскопии. В 1903 австр. исследователи Р. Зигмонди и Г. Зидентопф создали т. н. ультрамикроскоп. В 1935 Ф. Цернике предложил метод фазового контраста для наблюдения в М. прозрачных слабо рассеивающих свет объектов. Большой вклад в теорию и практику микроскопии внесли сов. учёные — Л. И. Мандельштам , Д. С. Рождественский , А. А. Лебедев , В. П. Линник .
Оптическая схема, принцип действия, увеличение и разрешающая способность микроскопа. Одна из типичных схем М. приведена на рис. 1 . Рассматриваемый объект (препарат) 7 располагают на предметном стекле 10. Конденсор 6 концентрирует на объекте пучок света, отражающегося от зеркала 4. Источником света в М. чаще всего служит специальный осветитель, состоящий из лампы и линзы-коллектора (соответственно 1 и 2 на рис. ); иногда зеркало направляет на объект обычный дневной свет. Диафрагмы — полевая 3 и апертурная 5 ограничивают световой пучок и уменьшают в нём долю рассеянного света, попадающего на препарат «со стороны» и не участвующего в формировании изображения.
Возникновение изображения препарата в М. в основных (хотя и наиболее простых) чертах можно описать в рамках геометрической оптики . Лучи света, исходящие от объекта 7, преломляясь в объективе 8, создают перевёрнутое и увеличенное действительное изображение оптическое 7’ объекта. Это изображение рассматривают через окуляр 9. При визуальном наблюдении М. фокусируют так, чтобы 7' находилось непосредственно за передним фокусом окуляра Foк . В этих условиях окуляр работает как лупа : давая дополнительное увеличение, он образует мнимое изображение 7’’ (по-прежнему перевёрнутое); проходя через оптические среды глаза наблюдателя, лучи от 7’’ создают на сетчатке глаза действительное изображение объекта. Обычно 7’’ располагается на расстоянии наилучшего видения D от глаза. Если сдвинуть окуляр так, чтобы 7' оказалось перед Foк , то изображение, даваемое окуляром, становится действительным и его можно получить на экране или фотоплёнке; по такой схеме производят, в частности, фото- и киносъёмку микроскопических объектов (см. Микропроекция ).
Общее увеличение М. равно произведению линейного увеличения объектива на угловое увеличение окуляра:
(см. Увеличение оптическое ). Увеличение объектива b = D/f "oб , где D — расстояние между задним фокусом объектива F'oб и передним фокусом окуляра (т. н. оптическая длина тубуса М.), f’oб , — фокусное расстояние объектива. Увеличение окуляра, как и лупы, выражается формулой
(f’’oк берётся в мм ). Обычно объективы М. имеют увеличения от 6,3 до 100, а окуляры — от 7 до 15 (их значения гравируются на оправах). Поэтому общее увеличение М. лежит в пределах от 44 до 1500.
Разумеется, технически возможно применить в М. объективы и окуляры, которые дадут общее увеличение, значительно превышающее 1500. Однако обычно это нецелесообразно. Большие увеличения не являются самоцелью — назначение М. состоит в том, чтобы обеспечить различение как можно более мелких элементов структуры препарата, т. е. в максимальном использовании разрешающей способности М. А она имеет предел, обуслопленный волновыми свойствами света. (В геометрической оптике, в рамках которой выше было рассмотрено образование изображения в М., отвлекаются от этих свойств света, но предел возможностей М. определяют именно они.) Согласно общей закономерности, наблюдая объект в каком-либо излучении с длиной волны l, невозможно различить элементы объекта, разделённые расстояниями, намного меньшими, чем l. Эта закономерность проявляется и в М., причём количественное её выражение несколько различно для самосветящихся и несамосветящихся объектов. Изображение испускающей монохроматический свет точки, даваемое даже идеальным (не вносящим никаких искажений) объективом, не воспринимается глазом как точка, так как вследствие дифракции света фактически является круглым светлым пятнышком конечного диаметра d , окруженным несколькими попеременно тёмными и светлыми кольцами (т. н. дифракционное пятно, пятно Эри, диск Эри). d = 1,22 l/A , где l — длина волны света (при освещении препарата немонохроматическим светом l — обычно наименьшая длина волны, характеризующая этот свет, либо длина волны, интенсивность излучения на которой максимальна), А — числовая апертура объектива, равная А = n · sin u m (n — показатель преломления среды, разделяющей светящуюся точку и объектив, um — половина угла раствора светового пучка, исходящего из точки и попадающего в объектив). Если две светящиеся точки расположены близко друг от друга, их дифракционные картины накладываются одна на другую, давая в плоскости изображения сложное распределение освещённости (рис. 2 ). Наименьшая относительная разница освещённостей, которая может быть замечена глазом, равна 4 %. Этому соответствует наименьшее расстояние между точками, при котором их изображения можно различить — предельное разрешение М.: dпр = 0,42d = 0,51 l/A . Для несамосветящихся объектов, как было показано Э. Аббе в его классической теории М., предельное разрешение составляет dпр = l/(А + А '), где А и A' — числовые апертуры объектива и конденсора М. (значения апертур гравируются на оправах).
Изображение любого объекта состоит из совокупности изображений отдельных элементов его структуры. Мельчайшие из них воспринимаются как точки, и к ним полностью применимы ограничения, следующие из дифракции света в М. — при расстояниях между ними, меньших предельного разрешения М., они сливаются и не могут наблюдаться раздельно. Существенно повысить разрешающую способность М. можно, только увеличивая А . В свою очередь, увеличить А можно лишь за счет повышения показателя преломления n среды между объектом и объективом (т. к. sinum £ 1). Это и осуществлено в иммерсионных системах , числовые апертуры которых достигают величины А = 1,3 (у обычных «сухих» объективов макс. А » 0,9).
Существование предела разрешающей способности влияет на выбор увеличений, получаемых с помощью М. Увеличения от 500 А до 1000 А называют полезными, т. к. при них глаз наблюдателя различает все элементы структуры объекта, разрешаемые М. При этом исчерпываются возможности М. по разрешающей способности. При увеличениях свыше 1000 А не выявляются никакие новые подробности структуры препарата; всё же иногда такие увеличения используют — в микрофотографии, при проектировании изображений на экран и в некоторых других случаях. Существенно более высокими, чем у М., разрешающей способностью и, следовательно, полезным увеличением обладает электронный микроскоп .
Методы освещения и наблюдения (микроскопия). Структуру препарата можно различить лишь тогда, когда разные его частицы по-разному поглощают или отражают свет либо отличаются одна от другой (или от окружающей среды) показателем преломления. Эти свойства обусловливают разницу амплитуд и фаз световых волн, прошедших через различные участки препарата, от чего, в свою очередь, зависит контрастность изображения. Поэтому методы наблюдения в М. выбираются (и обеспечиваются конструктивно) в зависимости от характера и свойств изучаемых объектов.
Метод светлого поля в проходящем свете применяется при исследовании прозрачных препаратов с включенными в них абсорбирующими (поглощающими свет) частицами и деталями. Таковы, например, тонкие окрашенные срезы животных и растительных тканей, тонкие шлифы минералов и т. д. В отсутствие препарата пучок света из конденсора 6 (рис. 1 ), проходя через объектив 8, даёт вблизи фокальной плоскости окуляра 9 равномерно освещенное поле. Если в препарате 7 имеется абсорбирующий элемент, то он отчасти поглощает и отчасти рассеивает падающий на него свет (штриховая линия), что и обусловливает появление изображения. Метод может быть полезен и при наблюдении неабсорбирующих объектов, но лишь в том случае, если они рассеивают освещающий пучок настолько сильно, что значительная часть его не попадает в объектив.
Метод косого освещения является разновидностью предыдущего, отличаясь тем, что свет на объект направляют под большим углом к направлению наблюдения. В ряде случаев это позволяет выявить «рельефность» объекта за счёт образования теней.
Метод светлого поля в отражённом свете (рис. 3 ) применяется для наблюдения непрозрачных отражающих свет объектов, например шлифов металлов или руд. Освещение препарата 4 (от осветителя 1 и полупрозрачного зеркала 2) производится сверху, через объектив 3, который одновременно играет и роль конденсора. В изображении, создаваемом в плоскости 6 объективом совместно с тубусной линзой 5, структура препарата видна из-за различия в отражающей способности её элементов; на светлом поле выделяются также неоднородности, рассеивающие падающий на них свет.
Метод тёмного поля в проходящем свете (рис. 4 ) применяется для получения изображений прозрачных неабсорбирующих объектов, невидимых при освещении по методу светлого поля. Часто таковы биологические объекты. Свет от осветителя 1 и зеркала 2 направляется на препарат конденсором специальной конструкции — т. н. конденсором тёмного поля 3. По выходе из конденсора основная часть лучей света, не изменившая своего направления при прохождении через прозрачный препарат, образует пучок в виде полого конуса и не попадает в объектив 5 (который находится внутри этого конуса). Изображение в М. создаётся лишь небольшой частью лучей, рассеянных микрочастицами находящегося на предметном стекле 4 препарата внутрь конуса и прошедшими через объектив. В поле зрения 6 на тёмном фоне видны светлые изображения элементов структуры препарата, отличающихся от окружающей среды показателем преломления. У крупных частиц видны только светлые края, рассеивающие лучи света. При этом методе по виду изображения нельзя определить, прозрачны частицы или непрозрачны, больший или меньший показатель преломления они имеют по сравнению с окружающей средой.
Метод ультрамикроскопии, основанный на том же принципе (препараты в ультрамикроскопах освещаются перпендикулярно направлению наблюдения), даёт возможность обнаружить (но не «наблюдать» в буквальном смысле слова) чрезвычайно мелкие частицы, размеры которых лежат далеко за пределами разрешающей способности наиболее сильных М. С помощью иммерсионных ультрамикроскопов удаётся зарегистрировать присутствие в препарате частиц размером до 2×10-9 м. Однако определить форму и точные размеры таких частиц с помощью этого метода невозможно: их изображения представляются наблюдателю в виде дифракционных пятен, размеры которых зависят не от размеров и формы самих частиц а от апертуры объектива и увеличения М. Т. к. подобные частицы рассеивают очень мало света, то для их освещения требуются чрезвычайно сильные источники света, например угольная электрическая дуга. Ультрамикроскопы применяются главным образом в коллоидной химии.
При наблюдении по методу тёмного поля в отражённом свете непрозрачные препараты (например, шлифы металлов) освещают сверху — через специальную кольцевую систему, расположенную вокруг объектива и называемую эпиконденсором.
Метод наблюдения в поляризованном свете (поляризационная микроскопия) служит для микроскопического исследования препаратов, включающих оптически анизотропные элементы (или целиком состоящих из таких элементов). К ним относятся многие минералы, зёрна в шлифах сплавов, некоторые животные и растительные ткани и пр. Оптические свойства анизотропных микрообъектов различны в различных направлениях (см. Оптическая анизотропия ) и проявляются по-разному в зависимости от ориентации этих объектов относительно направления наблюдения и плоскости поляризации света , падающего на них. Наблюдение можно вести как в проходящем, так и в отражённом свете. Свет, излучаемый осветителем, пропускают через поляризатор; сообщенная ему при этом поляризация меняется при последующем прохождении света через препарат (или отражении от него), и эти изменения изучаются с помощью анализатора (см. Поляризационные приборы ) и различных компенсаторов оптических . По таким изменениям можно судить об основных оптических характеристиках анизотропных микрообъектов: силе двойного лучепреломления , количестве оптических осей и их ориентации, вращении плоскости поляризации , дихроизме .
Метод фазового контраста (и его разновидность — т. н. метод «аноптрального» контраста) служит для получения изображений прозрачных и бесцветных объектов, невидимых при наблюдении по методу светлого поля. К числу таких объектов относятся, например, живые неокрашенные животные ткани. Метод основан на том, что даже при очень малых различиях в показателях преломления разных элементов препарата световая волна, проходящая через них, претерпевает разные изменения по фазе (приобретает т. н. фазовый рельеф). Эти фазовые изменения, не воспринимаемые непосредственно ни глазом, ни фотопластинкой, с помощью специального оптического устройства преобразуются в изменения амплитуды световой волны, т. е. в изменения яркости («амплитудный рельеф»), которые уже различимы глазом или фиксируются на фоточувствительном слое. Другими словами, в получаемом видимом изображении распределение яркостей (амплитуд) воспроизводит фазовый рельеф. Такое изображение называется фазово-контрастным. В типичной для этого метода схеме (рис. 5 ) в переднем фокусе конденсора 3 устанавливается апертурная диафрагма 2, отверстие которой имеет форму кольца. Её изображение возникает вблизи заднего фокуса объектива 5, и там же устанавливается т. н. фазовая пластинка 6, на поверхности которой имеется кольцевой выступ или кольцевая канавка, называемая фазовым кольцом. Фазовая пластинка может быть помещена и не в фокусе объектива (часто фазовое кольцо наносят прямо на поверхность одной из линз объектива), но в любом случае неотклонённые в препарате 4 лучи от осветителя 1, дающие изображение диафрагмы 2, должны полностью проходить через фазовое кольцо, которое значительно ослабляет их (его делают поглощающим) и изменяет их фазу на l/4 (l — длина волны света). В то же время лучи, даже ненамного отклоненные (рассеянные) в препарате, проходят через фазовую пластинку, минуя фазовое кольцо (штриховые линии), и не претерпевают дополнительного сдвига фазы. С учётом фазового сдвига в материале препарата полная разность фаз между отклоненными и неотклонёнными лучами оказывается близкой к 0 или l/2, и в результате интерференции света в плоскости изображения 4' препарата 4 они заметно усиливают или ослабляют друг друга, давая контрастное изображение структуры препарата. Отклоненные лучи имеют значительно меньшую амплитуду по сравнению с неотклонёнными, поэтому ослабление основного пучка в фазовом кольце, сближая значения амплитуд, также приводит к большей контрастности изображения. Метод позволяет различать малые элементы структуры, чрезвычайно слабо контрастные в методе светлого поля. Прозрачные частицы, сравнительно не малые по размерам, рассеивают лучи света на столь небольшие углы, что эти лучи проходят вместе с неотклонёнными через фазовое кольцо. Для подобных частиц фазово-контрастный эффект имеет место только вблизи их контуров, где происходит сильное рассеяние.
Метод интерференционного контраста (интерференционная микроскопия) состоит в том, что каждый луч, входящий в М., раздваивается; один из полученных лучей направляется сквозь наблюдаемую частицу, а второй — мимо неё по той же или дополнительной оптической ветви М. В окулярной части М. оба луча вновь соединяются и интерферируют между собой. Результат интерференции определяется разностью хода лучей d, которая выражается формулой d = N l = (n0 — nm )d , где n0 , nm — показатели преломления частицы и окружающей среды, d — толщина частицы, N — т. н. порядок интерференции, l — длина волны света. Принципиальная схема одного из способов осуществления интерференционного контраста показана на рис. 6 . Конденсор 1 и объектив 4 снабжены двоякопреломляющими пластинками (помечены на рис. диагональными стрелками), первая из которых расщепляет исходный световой луч на два луча, а вторая воссоединяет их. Один из лучей, проходя через объект 3, запаздывает по фазе (приобретает разность хода по сравнению со вторым лучом); величина этого запаздывания измеряется компенсатором 5. Метод интерференционного контраста в некоторых отношениях сходен с методом фазового контраста — оба они основаны на интерференции лучей, прошедших через микрочастицу и миновавших её. Как и фазово-контрастная микроскопия, этот метод позволяет наблюдать прозрачные и бесцветные объекты, но их изображения могут быть и разноцветными (интерференционные цвета). Оба метода пригодны для изучения живых тканей и клеток (и часто применяются именно с этой целью). Отличие интерференционного метода от метода фазового контраста заключается главным образом в возможности, используя компенсаторы, с высокой точностью (до 1 /300 l) измерять разности хода, вносимые микрообъектами. Это открывает широкие возможности количественных исследований — на основании таких измерений могут быть рассчитаны общая масса и концентрация сухого вещества в микрообъекте (например, в растительной или животной клетке), показатель преломления и размеры объекта (рис. 7 ). Метод интерференционного контраста часто сочетают с другими методами микроскопии, в частности с наблюдением в поляризованном свете; применение его совместно с микроскопией в ультрафиолетовых лучах позволяет, например, определить содержание нуклеиновых кислот в общей сухой массе объекта. К интерференционной микроскопии обычно относят также методы использования микроинтерферометров .
Метод исследования в свете люминесценции (люминесцентная микроскопия, или флуоресцентная микроскопия) заключается в наблюдении под М. зелено-оранжевого свечения микрообъектов, которое возникает при их освещении сине-фиолетовым светом или не видимыми глазом ультрафиолетовыми лучами (см. Люминесценция ). При этом методе в оптическую схему М. вводятся два светофильтра . Первый из них помещают перед конденсором; он пропускает от источника-осветителя излучение только тех длин волн, которые возбуждают люминесценцию либо самого объекта (собственная люминесценция), либо специальных красителей, введённых в препарат и поглощённых его частицами (вторичная люминесценция). Второй светофильтр, установленный после объектива, пропускает к глазу наблюдателя (или на фоточувствительный слой) только свет люминесценции. В люминесцентной микроскопии используют как освещение препаратов сверху (через объектив, который в этом случае служит и конденсором), так и снизу, через обычный конденсор. Наблюдение при освещении сверху иногда называют «люминесцентной микроскопией в отражённом свете» (этот термин условен — возбуждение свечения препарата не является простым отражением света); его часто сочетают с наблюдением по фазово-контрастному методу в проходящем свете.
Метод широко применяется в микробиологии , вирусологии , гистологии , цитологии , в пищевой промышленности, при исследовании почв, в микрохимическом анализе , в дефектоскопии . Обилие и разнообразие применений связаны с чрезвычайно высокой цветовой чувствительностью глаза и высокой контрастностью изображения самосветящегося объекта на тёмном нелюминесцирующем фоне, а также ценностью информации о составе и свойствах исследуемых веществ, которую можно получить, зная интенсивность и спектральный состав их люминесцентного излучения.
Метод наблюдения в ультрафиолетовых (УФ) лучах позволяет увеличить предельную разрешающую способность М., т. е. понизить его предельное разрешение, которое зависит (см. выше) от длины волны l применяемого излучения (для используемых в микроскопии УФ лучей l = 400—250 нм, тогда как для видимого света l = 700—400 нм ). Но главным образом этот метод расширяет возможности микроскопических исследований за счёт того, что частицы многих веществ, прозрачные в видимом свете, сильно поглощают УФ излучение определённых длин волн и, следовательно, легко различимы в УФ изображениях. Характерными спектрами поглощения в УФ области обладает, например, ряд веществ, содержащихся в растительных и животных клетках (пуриновые основания , пиримидиновые основания, большинство витаминов , ароматические аминокислоты , некоторые липиды , тироксин и др.); это обусловило широкое применение УФ микроскопии в качестве одного из методов цитохимического анализа.
Ультрафиолетовые лучи невидимы для человеческого глаза. Поэтому изображения в УФ микроскопии регистрируют либо фотографически, либо с помощью электроннооптического преобразователя или люминесцирующего экрана. Распространён следующий способ цветового представления таких изображений. Препарат фотографируется в трёх длинах волн УФ области спектра; каждый из полученных негативов освещается видимым светом определённого цвета (например, синим, зелёным и красным), и все они одновременно проектируются на один экран. В результате на экране создаётся цветное изображение объекта в условных цветах, зависящих от поглощающей способности препарата в ультрафиолете.
Метод наблюдения в инфракрасных (ИК) лучах также требует преобразования невидимого для глаза изображения в видимое путём его фотографирования или с помощью электроннооптического преобразователя. ИК микроскопия позволяет изучать внутреннюю структуру объектов, непрозрачных в видимом свете, например тёмных стекол, некоторых кристаллов и минералов и пр.
Микрофотографирование и микрокиносъёмка, т. е. получение с помощью М. изображений на светочувствительных слоях, широко применяется в сочетании со всеми другими методами микроскопического исследования. Оптическая система М. при микрофото- и микрокиносъёмке требует некоторой перестройки — иной по сравнению с визуальным наблюдением фокусировки окуляра относительно изображения, даваемого объективом (подробнее об этом см. в ст. Микропроекция ). Многие современные М. имеют постоянные (вмонтированные) устройства для микрофотографии, которые позволяют осуществлять такую перестройку и проектировать изображения препаратов на фотопластинку или плёнку (а большинство М. может быть с этой целью оснащено дополнительными принадлежностями). Микрофотография незаменима при документировании исследований, при изучении объектов в невидимых для глаза УФ и ИК лучах (см. выше), а также объектов со слабой интенсивностью свечения. Микрокиносъёмка важна при исследовании процессов, развёртывающихся во времени (жизнедеятельности тканевых клеток и микроорганизмов, роста кристаллов, протекания простейших химических реакций и т. п.).
Основные узлы микроскопа. В большинстве типов М. (за исключением инвертированных, см. ниже) над предметным столиком, на котором закрепляют препарат, располагается устройство для крепления объективов, а под столиком устанавливается конденсор. Любой М. имеет тубус (трубку), в котором устанавливаются окуляры; обязательной принадлежностью М. являются также механизмы для грубой и точной фокусировки (осуществляемой путём изменения относительного положения препарата, объектива и окуляра). Все эти узлы крепятся на штативе или корпусе М.
Тип применяемого конденсора зависит от выбора метода наблюдения. Светлопольные конденсоры и конденсоры для наблюдения по методу фазового или интерференционного контраста представляют собой сильно отличающиеся одна от другой двух- или трёхлинзовые системы. У светлопольных конденсоров числовая апертура может достигать 1,4; в их состав входит апертурная ирисовая диафрагма , которая иногда может смещаться в сторону для получения косого освещения препарата. Фазово-контрастные конденсоры снабжены кольцевыми диафрагмами. Сложными системами из линз и зеркал являются темнопольные конденсоры. Отдельную группу составляют эпиконденсоры — необходимые при наблюдении по методу тёмного поля в отражённом свете системы кольцеобразных линз и зеркал, устанавливаемых вокруг объектива. В УФ микроскопии применяются специальные зеркально-линзовые и линзовые конденсоры, прозрачные для ультрафиолетовых лучей.
Объективы в большинстве современных М. сменные и выбираются в зависимости от конкретных условий наблюдения. Часто несколько объективов закрепляются в одной вращающейся (т. н. револьверной) головке; смена объектива в этом случае осуществляется простым поворотом головки. По степени исправления хроматической аберрации различают микрообъективы ахроматы и апохроматы . Первые наиболее просты по устройству; хроматическая аберрация в них исправлена только для двух длин волн, и изображение при освещении объекта белым светом остаётся слегка окрашенным. В апохроматах эта аберрация исправлена для трёх длин волн, и они дают бесцветные изображения. Плоскость изображения у ахроматов и апохроматов несколько искривлена (см. Кривизна поля ). Аккомодация глаза и возможность просмотра всего поля зрения с помощью перефокусировки М. отчасти компенсируют этот недостаток при визуальном наблюдении, однако он сильно сказывается при микрофотографировании — крайние участки изображения получаются нерезкими. Поэтому широко используют микрообъективы с дополнительным исправлением кривизны поля — планахроматы и планапохроматы. В сочетании с обычными объективами применяют специальные проекционные системы — гомали, вставляемые вместо окуляров и исправляющие кривизну поверхности изображения (для визуального наблюдения они непригодны).
Кроме того, микрообъективы различаются: а) по спектральным характеристикам — на объективы для видимой области спектра и для УФ и ИК микроскопии (линзовые или зеркально-линзовые); б) по длине тубуса, на которую они рассчитаны (в зависимости от конструкции М.), — на объективы для тубуса 160 мм, для тубуса 190 мм и для т. н. «длины тубуса бесконечность» (последние создают изображение «на бесконечности» и применяются совместно с дополнительной — т. н. тубусной — линзой, переводящей изображение в фокальную плоскость окуляра); в) по среде между объективом и препаратом — на сухие и иммерсионные; г) по методу наблюдения — на обычные, фазово-контрастные, интерференционные и др.; д) по типу препаратов — для препаратов с покровным стеклом и без него. Отдельный тип представляют собой эпиобъективы (сочетание обычного объектива с эпиконденсором). Многообразие объективов обусловлено разнообразием методов микроскопических наблюдений и конструкций М., а также различиями в требованиях к исправлению аберраций в разных условиях работы. Поэтому каждый объектив можно применять только в тех условиях, для которых он рассчитан. Например, объективом, рассчитанным для тубуса 160 мм, нельзя пользоваться в М. с длиной тубуса 190 мм; с объективом для препаратов с покровным стеклом нельзя наблюдать препараты без покровного стекла. Особенно важно соблюдать расчётные условия при работе с сухими объективами больших апертур (А > 0,6), которые очень чувствительны ко всяким отклонениям от нормы. Толщина покровных стекол при работе с этими объективами должна быть равна 0,17 мм. Иммерсионный объектив можно использовать только с той иммерсией, для которой он рассчитан.
Тип применяемого окуляра при данном методе наблюдения определяется выбором объектива М. С ахроматами малых и средних увеличении используют окуляры Гюйгенса, с апохроматами и ахроматами больших увеличений — т. н. компенсационные окуляры, рассчитываемые так, чтобы их остаточная хроматическая аберрация была другого знака, чем у объективов, что улучшает качество изображения. Кроме того, существуют специальные фотоокуляры и проекционные окуляры, которые проектируют изображение на экран или фотопластинку (сюда же можно отнести упомянутые выше гомали). Отдельную группу составляют кварцевые окуляры, прозрачные для УФ лучей.
Разнообразные принадлежности к М. позволяют улучшить условия наблюдения и расширить возможности исследований. Осветители различных типов предназначены для создания наилучших условий освещения; окулярные микрометры служат для измерения размеров объектов; бинокулярные тубусы дают возможность наблюдать препарат одновременно двумя глазами; микрофотонасадки и микрофотоустановки применяются при микрофотографии; рисовальные аппараты дают возможность зарисовывать изображения. Для количественных исследований применяются специальные устройства (например, микроспектрофотометрические насадки).
Типы микроскопов. Конструкция М., его оснащение и характеристики основных узлов определяются либо областью применения, кругом проблем и характером объектов, для исследования которых он предназначен, либо методом (методами) наблюдения, на которые он рассчитан, либо же и тем и другим вместе. Всё это привело к созданию различных типов специализированных М., позволяющих с высокой точностью изучать строго определённые классы объектов (или даже только некоторые определённые их свойства). С другой стороны, существуют т. н. универсальные М., с помощью которых можно различными методами наблюдать различные объекты.
Биологические М. относятся к числу наиболее распространённых. Они применяются для ботанических, гистологических, цитологических, микробиологических, медицинских исследований, а также в областях, не связанных непосредственное биологией, — для наблюдения прозрачных объектов в химии, физике и т. д. Существует много моделей биологических М., отличающихся конструктивным оформлением и дополнительными принадлежностями, которые существенно расширяют круг изучаемых объектов. К этим принадлежностям относятся: сменные осветители проходящего и отражённого света; сменные конденсоры для работы по методам светлого и тёмного полей; фазово-контрастные устройства; окулярные микрометры; микрофотонасадки; наборы светофильтров и поляризационных устройств, позволяющие в обычном (неспециализированном) М. применять технику люминесцентной и поляризационной микроскопии. Во вспомогательном оборудовании для биологическиого М. особенно важную роль играют средства микроскопической техники , предназначенные для подготовки препаратов и проведения с ними различных операций, в том числе и непосредственно в процессе наблюдения (см. Микроманипулятор , Микротом ).
