АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Опыты Аббе, подтверждающие его теорию микроскопа, и критика ее современниками

Правильность своей теории образования изображения в микроскопе Аббе подтвердил проведенными им с этой целью опытами. Следует отметить, что все эти опыты Аббе проводил только с поглощающими решетками, используемыми им в качестве объектов наблюдения. Это было вполне логично, так как в качестве объектов для этих опытов могут служить только правильные геометрические структуры, способные давать четкие дифракционные картины. Естественные объекты, удовлетворяющие поставленным требованиям, встречаются редко. В первую очередь к ним относятся диатомовые водоросли.

Аббе показал, что действительное изображение предмета в передней фокальной плоскости окуляра микроскопа получается с помощью объектива, и при этом проходящий через конденсор и падающий на объект наблюдения свет разбивается на ряд дифракционных пучков - вследствие тонкой структуры объекта наблюдения. Эти пучки дают дифракционную картину в задней фокальной плоскости объектива. Эту картину можно наблюдать невооруженным глазом, если смотреть в микроскоп без окуляра.

Аббе показал, что изображение получается подобным во всех деталях предмету только тогда, когда проходящие через объектив микроскопа дифракционные пучки света будут иметь достаточную интенсивность. В случае если микроскоп имеет небольшую апертуру и поэтому не все дифракционные пучки попадают в него, то изображение получается не подобным предмету.

Экспериментальное подтверждение этого явления можно получить при помощи дифракционного прибора Аббе, cостоящего из пластинки, покрытой тонким слоем серебра, на которую нанесено несколько штрихов. Эти штрихи служат объектом при рассматривании в микроскоп. С помощью такого прибора можно очень наглядно показать, какое влияние имеет выпадение некоторых дифракционных пучков из изображения. Если, например, задиафрагмировать с каждой стороны один, три, пять и т.д. дифракционных пучков, то в изображении получим систему штрихов с вдвое меньшими промежутками. Тем самым в изображении, которое дает микроскоп, мы насчитаем вдвое больше штрихов, чем их имеется в предмете.

Опыты Аббе по теории вторичного изображения состояли в основном в последовательном изучении зависимости между первичным интерференционным изображением источника света и известной структурой объекта, а затем в исследовании зависимости вторичного интерференционного изображения от первичного.

При проведении своих опытов Аббе использовал микроскоп, объектив которого имел апертуру 0,17, а собственное увеличение 6-10 крат. Результаты проведенных опытов лучше всего передать словами самого Аббе:

"Различные структуры дают всегда одинаковое изображение в микроскопе, если искусственно устранены различия в дифракционном эффекте, вызываемом ими в микроскопе;... структурный рисунок, появляющийся в поле зрения микроскопа, во всех подробностях как соответствующих объекту, так и не соответствующих ему, являются не.чем иным, как результатом интерференционного процесса, происходящего при встрече всех действующих пучков лучей" [21].

И далее:

"Ни в каком микроскопе не могут быть воспроизведены детали объекта (или признаки имеющейся в действительности структуры), если они расположены так близко друг к другу, что даже первый световой пучок, обусловленный дифракцией, не попадает в объектив одновременно с неотклоненным пучком" [22].

Строгую математическую теорию образования изображения в микроскопе Аббе читал в 1887 г. в Йенском университете. Эти лекции законспектировал Отто Луммер и впоследствии подготовил к печати совместно с Фрицем Рейхе. Они были изданы в 1910 г. под названием "Учение об образовании изображения в микроскопе по Аббе" [23].

Отто Луммер был блестящим физиком. Он внес существенный вклад в развитие теории теплового излучения, читал курс лекций по специальным проблемам оптики. Совместно с Герке Луммер ввел в технику спектроскопии плоскопараллельные стеклянные пластинки. Очень интересна оценка, которую дал Луммер лекциям Аббе:

"Аббе редко доводил до конца свой теоретический курс лекций. Тем больше была его радость на этот раз, когда он получил возможность ознакомить со своими теориями круг лиц, разбирающихся в этих вопросах. Кроме меня этот курс прослушали профессор Винкельман, доктор Чапский, доктор Рудольф и кандидат философии Штраубель, являющийся ныне преемником Аббе.

...Эта зима 1887 г. относится к лучшим моим воспоминаниям. Нам посчастливилось заглянуть в мастерскую умственного труда нашего величайшего мастера теоретической и практической физики и своими глазами наблюдать процесс его творческой деятельности. И хотя теория Аббе об образовании изображения в микроскопе была разработана еще задолго до этого времени и сделанные из нее выводы уже принесли свои плоды на заводе «Карл Цейсc», лекции на эту тему он начал читать, собственно, лишь в эти годы... Нелегко было следить за ходом рассуждений Аббе, часто он сам вносил поправки, отказываясь от приведенного им же доказательства и заменял его более простым и доступным. Но именно в этом и состояла привлекательность лекционного курса, которая еще больше повышалась благодаря дискуссиям во время воскресных прогулок по живописным окрестностям Йены. Существует ли дифракция в обратном направлении, т.е. может ли световой пучок, попадающий в очень узкую щель, отклониться обратно, в сторону источника света? Этот и подобный ему вопросы рьяно обсуждались... Рука об руку с чисто теоретическими лекциями шло ознакомление с практической оптикой и экспериментальными подтверждениями теории Аббе об образовании изображений от несамосветящихся объектов. Доктор Чапский знакомил нас с геометрической оптикой, теорией Аббе об ограничении пучков лучей в оптических приборах и с расчетом объективов по приближенным формулам Аббе. Аббе сам лично демонстрировал неподобие изображения микрообъектов при искусственном диафрагмировании. Это было великолепное время!" [24].

Из этих строк мы узнаем, что на лекциях Аббе, читанных им в зимний семестр 1887/88 г., присутствовали: доктор Винкельман - ординарный профессор физики Йенского университета, доктор Чапский - ученик и сподвижник Аббе, продолжатель его трудов; доктор Бёгехольд, создавший впоследствии (в 1938 г.) высококачественные планахроматические и планапохроматические объективы. Один из слушателей лекций Аббе, доктор Штраубель стал впоследствии преподавателем Йенского университета. Аббе назначил его своим преемником и соруководителем фирмы "Карл Цейсc".

Теория Аббе образования изображения в микроскопе была воспринята его современниками по-разному.

Первая критика теории Аббе появилась в 1880 г. и принадлежала довольно известному в то время гистологу Альтману [25]. Желая построить общую теорию оптических инструментов, Альтман пытался дать свое толкование разрешающей способности оптических приборов и выяснить вопрос о влиянии на нее аберраций и явления дифракции.

Альтман провел серию опытов с объективами микроскопов, обладающих разными оптическими характеристиками. В результате этих опытов он сделал вывод о том, что разрешающая способность объективов микроскопов определяется величиной дифракции, а сферическая и хроматическая аберрации сказываются только на резкости и ясности отдельных элементов микроскопического изображения.

Критически оценивая основные положения теории Аббе, Альтман писал: "Подробности, меньшие 0,01 мм, изображаются при помощи дифракционных пучков". По мнению Альтмана, качество микроскопического изображения зависело в основном от оптических свойств наблюдаемых в микроскоп объектов (показателей преломления их отдельных частей, различия в цветовой окраске, степени их прозрачности и т.п.).

Ответ Аббе Альтману не заставил себя долго ждать и был написан им в очень эмоциональной форме [26]. Он содержал в себе не только критику положений Альтмана, но и подробное разъяснение теории вторичного изображения в микроскопе. В полемике с Альтманом Аббе впервые дал понять, в чем состоит различие между изображениями самосветящихся и несамосветящихся объектов наблюдения.

Альтман не был удовлетворен ответом Аббе. В двух cвоих последующих статьях он отстаивал свою прежнюю точку зрения [27]. Но Аббе оставил эти статьи без внимания, полагая, видимо, что все и так ясно.

Однако на самом деле вопрос этот не был столь простым. В 1896 г. появилась работа лорда Рэлея "О теории оптических изображений, специально в приложении к микроскопу" [28]. Теория разрешающей способности оптических инструментов Рэлея базировалась на результатах работ английского астронома Г. Эри, который в первой половине XIX в. показал, что одиночная светящаяся точка (например, звезда) вследствие дифракции на границах зрачка изображается оптической системой в виде кружка рассеяния, состоящего из яркого ядра и окаймляющих его чередующихся темных и светлых колец. При этом освещенность светлых колец по мере удаления от центра существенно падает. Таким образом, оптическая система никогда не изображает точку в виде точки. С одной стороны, этому препятствуют аберрации оптической системы, а с другой - волновая природа света.

Осмысливая картину изображения двух близко расположенных точек, Д. Рэлей в 80-х годах XIX в. сделал вывод о том, что две равнояркие точки видны раздельно, если центр кружка Эри одной точки совпадает с первым минимумом второй точки. Этот вывод, известный как "критерий Рэлея", давал возможность установить числовое значение разрешающей способности любой оптической системы. Из него вытекало, что угловое расстояние между изображениями двух равноярких точек, которые видны раздельно (y). равно расстоянию от центра до первого максимума каждой точки: y = 1,22l/ D где l - длина световой волны, D - диаметр входного зрачка.

С современной точки зрения, как метод Рэлея, так и метод Аббе - правильны и не исключают, а, скорее, дополняют друг друга. Сначала предполагали, что анализ Аббе применим только к освещенным объектам, или, по современной терминологии, к изображениям в когерентном свете. Рэлей же наглядно продемонстрировал, что он применим и к самосветящимся объектам (т.е. для изображений в некогерентном свете). Рэлей также установил, что пределы разрешения для когерентного и некогерентного случаев отличаются в два раза. Самое важное в работах Рэлея то, что он продемонстрировал применимость методологии Фурье для исследования качества оптического изображения.

Дата добавления: 2015-09-03 | Просмотры: 1802 | Нарушение авторских прав