Gdy Robert Hooke w 1665 roku oglądał cienki plasterek korka, zobaczył rzędy maleńkich komór i nazwał je komórkami. Zrobił to mikroskopem złożonym z dwóch soczewek, które łatwo odtworzyć w domu. Dwie zwykłe lupy i rurka z kartonu wystarczą, by powiększyć obraz kilkadziesiąt razy i zajrzeć w świat, którego gołym okiem nie widać.

Co nam będzie potrzebne?

  • lupa o dużej mocy (+20 do +40 dioptrii, ogniskowa 2,5–5 cm) jako obiektyw — może to być soczewka z taniego zestawu lup kieszonkowych
  • lupa o mniejszej mocy (+10 do +15 dioptrii, ogniskowa 7–10 cm) jako okular
  • dwie rurki z kartonu (np. po papierze kuchennym), jedna nieco węższa od drugiej
  • czarny matowy papier lub flamaster do zaczernienia wnętrza rurek
  • taśma klejąca, nożyczki
  • mocna lampka biurkowa lub latarka LED
  • biała kartka lub lusterko do podświetlania preparatu od spodu
  • preparaty: skrawek skórki cebuli, piórko, płatek kwiatu, kryształki soli, kartka z gazety

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Zmierz ogniskowe. W ciągu dnia ustaw lupę przy oknie i szukaj ostrego obrazu odległego budynku na kartce. Odległość soczewki od kartki to jej ogniskowa. Zrób to dla obu lup i zapisz wyniki. Soczewka o krótszej ogniskowej zostanie obiektywem, a ta o dłuższej okularem.

Krok 2: Zaczerń wnętrze rurek. Wyłóż środek rurek czarnym papierem albo pomaluj go flamastrem. Matowa czerń pochłania światło rozproszone i obraz jest dzięki temu wyraźniejszy. Przy jasnych ściankach kontrast spada i drobne szczegóły giną.

Krok 3: Zamocuj soczewki. Przyklej obiektyw taśmą do jednego końca węższej rurki, a okular do końca szerszej. Obie soczewki muszą leżeć równo, prostopadle do osi rurki. Wsuń węższą rurkę w szerszą tak, by dało się je przesuwać jak w tubusie lunety. Odległość między soczewkami powinna wynosić około 15–20 cm.

Krok 4: Przygotuj preparat i oświetlenie. Połóż skórkę cebuli, odrywając ją cienko od wewnętrznej strony łuski, na kawałku przezroczystej folii lub szkiełku. Podświetl ją od spodu lampką odbitą od białej kartki. Preparat musi być przezroczysty, bo światło ma przez niego przejść.

Krok 5: Ustaw ostrość. Trzymaj rurkę pionowo nad preparatem, tak by obiektyw znajdował się 3–6 cm nad nim, czyli nieco dalej niż jego ogniskowa. Patrz przez okular i powoli zmieniaj odległość. Przy dobrym ustawieniu zobaczysz prostokątne komórki z ciemniejszymi jądrami. Najlepiej oprzeć rurkę na statywie z książek, bo ręka drży i zamazuje obraz.

Wyjaśnienie naukowe

Mikroskop złożony działa w dwóch etapach. Obiektyw ma bardzo krótką ogniskowę, a preparat leży tuż za jego ogniskiem. Soczewka tworzy wtedy powiększony, odwrócony obraz rzeczywisty, który powstaje wewnątrz rurki. Okular pełni funkcję lupy i powiększa ten obraz po raz drugi. Do oka trafia obraz pozorny, odwrócony względem preparatu i znacznie większy od niego.

Powiększenie całkowite jest w przybliżeniu iloczynem powiększeń obu soczewek. Obiektyw o ogniskowej 4 cm i długości tubusu 16 cm daje powiększenie około czterokrotne. Okular o ogniskowej 8 cm powiększa obraz około trzykrotnie, licząc od odległości dobrego widzenia 25 cm. Razem wychodzi kilkanaście razy, a przy mocniejszych soczewkach nawet kilkadziesiąt. Powiększenie nie jest jednak jedynym ważnym parametrem. Liczy się też zdolność rozdzielcza, czyli najmniejsza odległość, przy której dwa punkty widzimy osobno.

Rozdzielczość ogranicza dyfrakcja światła i jakość soczewek. Proste lupy mają aberracje, czyli wady obrazu: kolorowe obwódki i rozmycie na brzegach. Antoni van Leeuwenhoek w latach 70. XVII wieku szlifował pojedyncze, bardzo małe soczewki, dające powiększenie ponad 200 razy, i jako pierwszy zobaczył bakterie oraz plemniki. Hooke użył układu dwusoczewkowego, wygodniejszego w obsłudze, ale optycznie słabszego. Współczesne mikroskopy mają obiektywy złożone z kilkunastu soczewek, które korygują te wady, a obraz można oglądać nawet przy powiększeniu 1000 razy.

Zasadę skupiania światła przez soczewki łatwo poznać wcześniej na prostszych modelach, na przykład w doświadczeniu soczewka z wody w woreczku . Tę samą parę soczewek, ustawioną inaczej, wykorzystuje teleskop z soczewek okularowych . Różnica polega na tym, że w mikroskopie obiektyw ogląda przedmiot bardzo bliski, a w teleskopie bardzo odległy.

Warianty

Mikroskop do oglądania kryształów. Połóż pod obiektywem kilka ziaren soli kuchennej i cukru. Sól tworzy sześciany, a cukier skośne słupki. Przy ukośnym oświetleniu z boku kryształy wyglądają jak kawałki szkła. Porównaj je ze zdjęciami z doświadczenia hodowanie kryształów ałunu .

Mikroskop z oświetleniem od spodu. Wytnij w pudełku po butach otwór, połóż na nim szkiełko z preparatem i umieść pod spodem latarkę zasłoniętą kartką. Dzięki równomiernemu światłu zobaczysz struktury wewnętrzne, na przykład żyłki w piórku czy komórki skórki cebuli.

Pomiar powiększenia. Połóż pod obiektywem linijkę z podziałką milimetrową i policz, ile milimetrów mieści się w polu widzenia. Znając średnicę pola, możesz oszacować rozmiar komórki cebuli, która zwykle ma 0,1–0,4 mm długości.

Często zadawane pytania

Dlaczego obraz jest rozmyty i ma kolorowe obwódki? Proste soczewki załamują światło o różnych barwach pod nieco innym kątem, co powoduje aberrację chromatyczną. Dodatkowo brzegi soczewki skupiają promienie w innym miejscu niż jej środek. Możesz poprawić obraz, zasłaniając brzeg obiektywu kartką z małym otworem o średnicy 3–5 mm, bo wtedy używasz tylko najlepszej, środkowej części soczewki.

Czy mogę dać mocniejsze soczewki i zobaczyć bakterie? Bakterie mają zwykle 1–5 mikrometrów, więc wymagają powiększenia ponad 400 razy i dobrej optyki. Domowa konstrukcja z lup tego nie osiągnie, bo aberracje i zbyt słabe oświetlenie rozmywają obraz. Możesz natomiast zobaczyć pierwotniaki z kałuży lub wody z wazonu, które są od bakterii wielokrotnie większe.

Dlaczego preparat musi być cienki? Światło musi przejść przez próbkę, a gruba warstwa je pochłania i rozprasza. Poza tym obiektyw o krótkiej ogniskowej ma bardzo małą głębię ostrości, rzędu ułamków milimetra. Gruby preparat będzie więc ostry tylko w jednej warstwie, a reszta zostanie rozmyta. Dlatego biolodzy wycinają skrawki o grubości kilku mikrometrów i przykrywają je szkiełkiem nakrywkowym.