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 λel<<λluce =>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

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 f p q Oggetto 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 θ' e angolo senza lente θ: M=θ'/θ≈N/f 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: λ e' la lughezza della radiazione impiegata n l'indice di rifrazione del mezzo interposto tra lenti e oggetto (in genere aria) ϕ Massimo angolo tra asse ottico e raggi provenienti dalla sorgente e raccolti dall'obiettivo Formula di Abbe: Si vede quindi che il PR puo' essere migliorato usando radiazione a corte λ (es. raggi UV) e/o usando al posto dell'aria liquidi con n> 1 (es. olio come nei microscopi ad immersione) aumentare ϕ (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 λ foro produce semicerchio: grande disco senza frange, schermo uniformemente illuminato. Se λ 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.