Lez19GEN2012 - Dipartimento di Fisica

I microscopi
Strumenti essenziali per visualizzare enti fisici
(oggetti, organismi etc. ) di dimensioni
microscopiche (10-6 m=1µm) o piu' piccoli.
I microscopi oggi piu' potenti sono i microscopi
elettronici
I microscopi elettronici piu' potenti consentono la
visualizzazione oggetti nanometrici (1nm=10-9m) e
anche piu' piccoli ovvero si possono visualizzare
singoli atomi e molecole ! (premio Nobel 1986)
I microscopi ottici utilizzano la radiazione
luminosa quelli elettronici fasci di elettroni
I microscopi sfruttano il comportamenrto
ondulatorio di luce (rad. e.m) e elettroni
 el<< luce =>m. el. piu' potente m.ottico
Univ. Cagliari ha un microscopio elettronico
Le lenti
Elementi essenziali di tutti microscopi sono le lenti
che agiscono sulla radiazione luminosa o fascio di
elettroni deviandoli e indirizzandoli opportunamente.
Le tipiche lenti ottiche sono di materiale vetroso o
plastico quelle dei microscopi elettronici sono
ottenute attraverso campi elettromagnetici collimanti
Le lenti sono trasparenti alla radiazione
Lenti plastico-vetrose sfruttano fenomeno fisico della
rifrazione.
Rifrazione: deviazione di un raggio luminoso dalla sua
traiettoria rettilinea quando passa da un mezzo
trasparente ad un altro (es. da aria a vetro, aria-acqua)
Rifrazione
I raggi luminosi si propagano in un mezzo omogeneo seguendo
traiettorie rettilinee e invertibili (se mezzo non omogeneo principio
Minima azione:Percorso tra due punti che necessita del minor tempo)
Principio minima azione (Fermat)
SI
NO
un buon bagnino ottimizza il tempo riducendo il
tratto da fare a nuoto
similmente fa la luce con la rifrazione: invece di traiettorie (camini ottici)
rettilinee percorre spezzate (o piu' generalmente curve nei mezzi non
omogenei) minimizzando il tempo impiegato per congiungere due punti
(minima azione)
Anche le leggi della meccanica (Newton) possono dedursi da un principio di
minima azione cosi' come altre leggi della fisica!
In formule
per t'=0
(condizione di
minimo)= derivata
nulla
t'=0 (condizione di
minimo)= derivata nulla
Rifrazione: Legge di Snell
Se il secondo mezzo e' piu' rifrangente del
primo (nR>ni) il raggio si avvicina alla normale.
Se nR>ni il raggio si allontana
Rifrazione: Riflessione totale
dispersione e aberrazione cromatica
Raggi di colori diversi subiscono
deviazioni
(rifrazione)
diverse
(v.
prisma)!!=>
Fasci luminosi colorati possono essere
scomposti nei loro colori (prismi)
in genere n decresce al crescere della
lunghezza d'onda (piu' energ.=piu' lenta)
Aberrazione cromatica: Raggi di colore
diverso non formano immagini esattamente
sovrapposte
Lenti Convergenti e Divergenti
Possono servire per convergere (lenti convergenti) o divergere (lenti
divergenti) la radiazione luminosa o gli elettroni che attraversano lo
strumento.
Le lenti piu' semplici sono di tipo sferico e sottili ossia sferiche ma
approssimativamente piane (calotte piccole rispetto al raggio della sfera). =>
immagini in principio non distorte e raggi poco rifratti (appross. di Gauss)
Il Fuoco di una lente e' quel punto dove vanno a confluire tutti i raggi luminosi
paralleli come la totalita' di quelli provenienti dall'infinito (oggetti molto lontani)
Il Centro di un lente sferica NON devia i raggi che passano per esso
Formula lenti sottili
p
Oggetto
f
q
Immagine
per convenzione p>0 se sta a sinistra della lente (spazio degli oggetti ); p<0 a destra
per convenzione q>0 se sta a destra della lente (spazio delle immagini ); q<0 a sinistra
Piu' l'oggetto e' vicino alla lente piu' la sua
immagine e' lontana dalla lente
Microscopio semplice: la lente d'ingrandimento
Costituita da una sola lente
(sottile) convergente con
distanza focale lunga
Se l'oggetto viene posto tra la
lente e il suo fuoco si formera'
un'immagine virtuale diritta e
ingrandita
Virtuale e' detta un' Immagine in cui non vi e' reale
convergenza dei raggi luminosi (linee tratteggiate)
ma all'osservatore sembra il contrario
L'immagine viene vista sotto un angolo piu' grande
che senza lente
Potere di ingrandimento della lente: rapporto tra angolo di visualizzazione
con lente  ' e angolo senza lente  :
M=  
N=25cm minima distanza di capacita' messa a fuoco l'occhio umano (medio)
f distanza focale della lente e N e' detto punto prossimo (dell'occhio umano)
microscopio ottico composto
Due lenti convergenti, obiettivo e oculare, con stesso asse ottico (es. di
sistema (piu' lenti) ottico centrato (lenti con stesso asse))
Oggetto AB posto a distanza maggiore di f obiettivo (lente a f corta)
A'B' =Immagine di AB prodotta da lente obiettivo
A'B' immagine reale, ingrandita e capovolta e deve formarsi entro f di lente
oculare (lente a f lunga)
A”B” =immagine di A'B' prodotta da lente oculare
A”B” immagine virtuale di A'B', ingrandita e diritta (v. lente ingrandimento)
A”B” immagine di oggetto AB: virtuale , ingrandita e capovolta
l'ingradimento totale= prodotto ingrandimenti obiettivo e oculare
Potere risolutivo
Una caratteristica dei sistemi ottici (microscopi, telescopi etc.) e' la capacita'
di riuscire a distinguere due punti (due punti del preparato, due stelle...)
molto prossimi tra loro ovvero la cui separazione angolare e lineare e' molto
piccola
Il Potere risolutivo (PR) e' allora definito come la minima distanza, o talvolta
si trova anche il suo reciproco, per cui due punti vicini di un oggetto possono
essere visti ancora distinti attraverso lo strumento
Secondo l'ottica geometrica e nel caso di poter costruire lenti totalmente
prive di aberrazioni non ci sarebbe limite a distinguere due punti a patto di
usare uno strumento sufficientemente potente
La luce e' pero' un onda e come tale e' soggetta al fenomeno della
diffrazione e pertando vale la seguente:
Formula di Abbe:
PR=
λ
2nsin
 e' la lughezza della radiazione impiegata
n l'indice di rifrazione del mezzo interposto tra
lenti e oggetto (in genere aria)
Massimo angolo tra asse ottico e raggi
provenienti dalla sorgente e raccolti
dall'obiettivo
Si vede quindi che il PR puo' essere migliorato usando radiazione a
corte  (es. raggi UV) e/o usando al posto dell'aria liquidi con n> 1 (es. olio
come nei microscopi ad immersione)
aumentare (lenti di diametro maggiore) non conviene causa aberrazioni
Diffrazione: le onde aggirano gli ostacoli
Onda: trasferimento continuo e regolare di energia tipicamente
attraverso un mezzo ma anche nel vuoto (es. onde e.m.)
Diffrazione: l'onda si propaga anche oltre l'ostacolo incontrato
(zona d'ombra assente o attenuata) oppure supera piccole
aperture (fori) propagandosi in modo NON rettilineo ma a cono o
semicerchio =>
Contorni figure prodotte non netti ma increspati (a frange)
Diffrazione si osserva in tutti fenomeni fisici a carattere
ondulatorio (suono, moto ondoso dei fluidi, sismi,
luce,elettroni etc.)
Si manifesta quanto ostacolo o foro hanno dimensioni
comparabili a lunghezza d'onda che li investe
Due o piu' onde diffratte danno origine al fenomeno
dell'interferenza
Interferenza di due fenditure
Sullo schermo apparira' una figura simmetrica fatta di un alternarsi di frange
chiare e scure (Oppure un alternarsi di zone con suoni intensi e nulli in caso di
onde sonore
Frange chiare(suono intenso): sovrapposizione delle onde in fase
(interferenza costruttiva)
Frange scure (assenza di suono): sovrapposizione delle onde in contro fase
(interferenza distruttiva)
Esperimento doppia fenditura con elettroni=Esp. di Young (elettrone e' onda!)
Limiti risoluzione aperture circolari
Una lente sferica e' assimilabile ad una foro circolare
e produce simili figure di diffrazione: un luminoso
disco centrale contornato da alternati cerchi
concentrici di luce e buio (v. fig. in alto a sinistra)
Raggi provenienti da punti prossimi sono distinguibili solo quando il centro del
luminoso disco centrale dell'immagine dovuta ad un punto cade non piu' vicino del
primo anello di buio della figura di diffrazione prodotta dal secondo punto (criterio di
risolvibilita' di Rayleigh )
Se diametro lente D molto piccolo rispetto a  foro produce semicerchio: grande disco
senza frange, schermo uniformemente illuminato.
Se  piccolo rispetto a D appare solo punto senza frange (prop. retti. luce)
Occhio Umano
Forma immagini reali oggetti sulla retina
Al cervello giungono impulsi nervosi ovvero
segnali elettrici che elabora e interpreta
ncornea=nu.acqueo.=nu.vitreo=1.346<ncrist.=1.437
luce entra attraverso pupilla
cristallino lente governata dal muscolo ciliare
cristallino rilassato accomodato all'infinito
cristallino focalizza oggetti distanti almeno 25
cm (punto prossimo)
Presbiopia: irrigidimento del
cristallino dovuto all'eta' =>
difficolta' a visualizzare
oggetti vicini
Difetti Vista
Diffrazione raggi X
Radiazione e.m. compresa tra 10-2nm e 10nm
Adatta per visualizzare proteine,molecole, cristalli
Elica DNA “osservata” prima volta raggi X anni '50
Struttura Mioglobina, Emoglobina e altre importanti
molecole biologiche determinate tramite diffrazione
raggi X
Radiografie mediche e TAC sfruttano raggi X
Origine Raggi X: radiazione e.m. (fotoni) emessa da
elettroni accelerati o decelerati oppure da elettroni
atomici che transitano da un livello elettronico ad
uno ad energia piu' bassa
Biologicamente molto pericolosi e cancerogeni
Immagini radiologiche
Il differente assorbimento dei raggi X nei tessuti viene usato per
produrre immagini radiologiche.
Nella radiografia si usa una pellicola che diventa scura per un’intensità
elevata di raggi X, percio' le ossa sono chiare.