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LABORATORIO SCIENTIFICO PER BAMBINI
Microscopio ricavato da una goccia d'acqua. Laboratorio scientifico per bambini
Elenco / Laboratorio di scienze per bambini Sasha Putyatin, studentessa di seconda media, vive nella città degli scienziati, Dubna, vicino a Mosca, ed è molto interessata alla fisica. Un giorno, mentre sfogliava un popolare libro di scienze, si imbatté in un'immagine interessante. Raffigurava alcune palline e in basso c'era una didascalia: "Fotografia di molecole ottenuta utilizzando un microscopio elettronico". Dopo aver sfogliato nella sua mente il libro di testo di fisica, il ragazzo immaginò rapidamente un'altra immagine familiare: un pezzo di filo e punti in movimento al suo interno con un segno meno: gli elettroni. Come sei riuscito a ottenere una fotografia utilizzando queste particelle? E Sasha corse a chiedere chiarimenti al suo vicino nella tromba delle scale, Andrei Guryev. Andrey è al decimo anno e si sta preparando per entrare all'università presso il dipartimento di fisica. È difficile pensare a un consulente migliore per Sasha... -Sei interessato ad un microscopio elettronico? - chiese Andrei. - Sai come funziona quello normale? - Perché è così complicato? - esclamò Sasha. - Prendi diverse lenti, inseriscile nel tubo: ecco un microscopio! Andrea rise. - Davvero, com'è semplice! Sia un microscopio che un telescopio allo stesso tempo! Ma scherzi a parte. Pensi di poter realizzare un microscopio con una lente? - Beh, lo so. Quando c'è una lente, un tale dispositivo è chiamato lente d'ingrandimento. - Giusto. Ma sapevate che il biologo olandese Antonie van Leeuwenhoek, che per primo osservò la micropopolazione di uno stagno, utilizzava una lente d'ingrandimento e questo strumento ora si chiama microscopio Leeuwenhoek? Inoltre, aveva lo stesso ingrandimento di un normale microscopio moderno. - Non è chiaro il motivo per cui realizzano microscopi multilente, se basta averne solo uno? - Questa è una domanda molto interessante. Scopriamolo... L'occhio umano può distinguere la struttura fine se la distanza tra due elementi di questa struttura è maggiore di 0,08 mm. Ma la vita pone problemi in cui è necessario considerare oggetti con una struttura molto più fine. È qui che gli strumenti ottici vengono in soccorso. L'ingrandimento ottenibile con una singola lente è definito come 250/f, dove f è la lunghezza focale della lente misurata in millimetri. E la lunghezza focale della lente può essere determinata dalla formula f = r/(n-1), dove r è il raggio di curvatura della superficie della lente (per semplicità, assumeremo che la lente abbia gli stessi raggi di curvatura per la metà anteriore e posteriore), n è l'indice di rifrazione del materiale di cui è composta la lente. Se, ad esempio, è fatto di vetro normale, allora n = 1,5, quindi la lunghezza focale della lente e il raggio della sua curvatura saranno dello stesso ordine di grandezza. Ciò significa che per ottenere un ingrandimento di 100 volte è necessario prendere una sfera di vetro con un diametro di 5 mm. Per evitare che l'immagine venga distorta, sarà necessario posizionare tra l'oggetto osservato e l'obiettivo un diaframma con un diametro circa 10 volte inferiore al diametro della sfera. Inoltre, l'apertura deve essere impostata il più vicino possibile all'obiettivo. Se vogliamo costruire un sistema a due lenti con lo stesso ingrandimento, allora possiamo usare obiettivi con lunghezza focale maggiore... Come funzionerà un tale schema? Sasha interruppe il suo amico con impazienza. - Ecco come. Un oggetto ingrandito dalla prima lente (obiettivo) viene visto con l'aiuto di un'altra lente (oculare) come attraverso una lente d'ingrandimento. L'ingrandimento totale di un tale sistema è il prodotto dell'ingrandimento dell'obiettivo e dell'ingrandimento dell'oculare - È fantastico! Ciò significa che se aggiungi una terza lente, l'ingrandimento totale aumenterà nuovamente! E se il quarto... - Aspetta, Sashok, non ce la farai con la terza lente. Ed ecco perché. L'immagine ingrandita dalla seconda lente si trova alla distanza di visione migliore dall'occhio (la distanza di visione migliore, come sapete, è di 250 mm). E affinché la terza lente, che utilizzerai come lente d'ingrandimento, funzioni efficacemente, l'oggetto in questione deve essere vicino al suo fuoco. Ciò significa che la lunghezza focale della terza lente dovrebbe essere prossima a 250 mm, ma il suo ingrandimento sarà pari a 250/250 = 1... Cioè, il terzo obiettivo non funzionerà. Ma questo non deve turbarci. Dopotutto, l'ingrandimento di un microscopio non può ancora essere illimitato. E la ragione di ciò non è affatto la difficoltà di realizzare lenti. Tu ed io ci siamo completamente dimenticati delle proprietà ondulatorie della luce. La luce che illumina il nostro oggetto ha una lunghezza d'onda molto specifica. Per rendere l'ingrandimento del microscopio ancora maggiore, è necessario passare alla radiazione a lunghezza d'onda più corta. Naturalmente sai che qualsiasi particella materiale ha proprietà sia ondulatorie che corpuscolari. Un elettrone è sia una particella che un'onda. Questo è ciò che viene utilizzato nel microscopio elettronico, con cui è iniziata la nostra conversazione. Dopotutto, la lunghezza d'onda dell'elettrone è molto più corta della lunghezza d'onda della luce visibile. E invece delle lenti in vetro, un microscopio del genere ha lenti elettromagnetiche. L'ingrandimento dei microscopi elettronici è di centinaia di migliaia di volte. Puoi persino vedere le singole molecole e, in alcuni casi, gli atomi! - Andrew, facciamo un microscopio elettronico! Sasha si accese. - No, non possiamo farlo. Ma possiamo realizzare un semplice microscopio ottico. - Ma non abbiamo obiettivi a fuoco corto... Per fare ciò, dobbiamo realizzare una pallina con un materiale il cui indice di rifrazione è maggiore di quello dell'aria. Beh, per esempio... dall'acqua! Per fare questo, basta prendere un sottile foglio di metallo e praticarvi un piccolo foro. I bordi devono essere strofinati con paraffina. Ora, se versi dell'acqua nel foro, si formerà una pallina: dopo tutto, l'acqua non bagna la paraffina. Questo è l'obiettivo di cui abbiamo bisogno. - Un microscopio del genere non sarebbe troppo delicato e capriccioso? Probabilmente non sarà molto conveniente lavorarci sopra. - Ma in condizioni di campo non puoi pensare a niente di meglio. Pensaci: è solo una placca di metallo con un buco! Se si praticano fori di diametro diverso nella piastra, è possibile costruire microscopi con ingrandimenti diversi. E se usi anche una normale lente d'ingrandimento come oculare, ottieni un sistema a due lenti. - È ancora possibile ottenere che l'obiettivo sia più durevole? - Beh, se insisti, facciamolo con un materiale più resistente. Ad esempio, in vetro... - Com'è fatto di vetro? - Sasha è rimasta sorpresa. - È fragile! Come lo elaboreremo? - Il fuoco luciderà il nostro vetro. Se una sottile bacchetta di vetro viene abbassata lentamente nella fiamma del bruciatore, all'estremità della bacchetta si formerà una palla, poiché le forze di tensione superficiale agiscono sulla superficie di qualsiasi liquido, compreso il vetro liquido. Qui hai una lente durevole già pronta! Una conversazione così interessante ha avuto luogo tra due giovani ricercatori. Forse voi ragazzi vorreste approfittare dei consigli di Andrei Guryev e costruirvi un microscopio da viaggio? Autori: S.Valyansky, I.Nadosekina
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