物理学2007第十一章.ppt

第十一章几何光学 授课内容 第一节球面成像第三节眼第四节放大镜和显微镜第五节特种显微镜与纤镜思考题与习题十一 P 184 186 4 6 8 14 19 掌握单球面折射 共轴球面折射系统成像原理 折射系统成像计算方法和符号规则 单球面的第一 第二焦点和焦距 焦度 眼的调节和分辨本领 视力 近视眼 远视眼及其纠正 视角 角放大率 光学显微镜的放大率 分辨本领和数值孔径 提高显微镜分辨本领的途径 熟悉光学系统的分辨本领 眼睛成像的光学系统 简约眼 了解眼的光学结构 特种显微镜 纤镜的成像原理和医学应用 不同波段的电磁波的产生机理与主要作用 颜色 眼睛对不同波长的光产生的不同的感觉 从而显示出不同的颜色 光的颜色决定于它的频率 不透明物体的颜色是 选择吸收之后剩余反射光的颜色 譬如红色的布是因为红布反射红色光而吸收其它色光 透明体的颜色乃是 选择吸收之后所余的透射光之颜色 如红色玻璃只透过红光而吸收其它的色光 故呈红色 入射光透进物体内的深浅 表面色与透过色互异的现象这就是 双色向性 颜色产生的主要根由 应归结为物质电子能态的改变 不同能态之间的电子跃迁决定了其发光的频率 因而它是产生颜色的根本原因 第一节球面成像RefractionataSphericalSurface 折射 当光波由一介质入射到另一介质时 由于两介质的光学密度不同 透射光偏离入射方向的现象 n1 n2 折射定律 i1 i2 i1 i2与n1 n2关系如何得到 入射角跟折射角之间究竟有什么定量的关系呢 该问题长时间困惑人们 公元140年 希腊天文学家托勒密取得足够的实验数据 提出了自己的观点 当入射角很小时 入射角与折射角成正比 然而他的理论仍有缺陷 经历了一千多年的时间 直到1621年 荷兰数学家斯涅尔终于找到了入射角与折射角之间的规律 n水 1 33n空气 1 0 单球面 两种不同折射率的透明介质的分界面是球面的一部分 空气 玻璃 C 水 空气 单球面折射 是研究各种光学系统成像的基础 一 单球面折射 n1 n2 点光源O C r A 像I p p i1 i2 主光轴 i1 i2 都很小 近轴光线 即 很小 球面曲率半径r 物距p 像距p 顶点 球面曲率中心 P 1 单球面折射公式 单球面折射公式 n1 n2 O C r A I p p i1 i2 h 由折射定律 同理 P 有 又 符号规则 实物 实像到折射顶点的距离均取正值 虚物 虚像到折射顶点的距离均取负值 折射面凸球面对着入射光线则r为正 反之为负 p 0 p 0 o o p 0 p 0 r 0 r 0 I I 单球面折射公式 O n1 n2 O n1 n2 发出光束的物点 为实物点 物方光束延长后汇聚所成的点 为虚物点 o2 I p 0 p 0 o I p 0 p 0 o I p 0 p 0 o I O n2 n3 O n1 n1 n2 n3 I2 2 折射面的焦度 dioptricstrength 单球面折射本领 物理意义 越大 折光本领越强 取决于两侧折射率和曲率半径 C O I r n1 n2 单位 曲光度 D r m 1D 100度 3 折射面的焦距 根据 第一焦点F1 物空间焦点 当p 时 第二焦距f2 当p 时 F1 f1 F2 f2 第一焦距f1 第二焦点F2 像空间焦点 f1 f2为正 F1 F2是实焦点 折射面有会聚作用 f1 f2为正时 F1 F2是实焦点 折射面有会聚作用f1 f2为负时 F1 F2是虚焦点 折射面有发散作用 F1 f1 F2 f2 f1 I f2 I f1 f2 r单位 米 4 折射面的两焦距与焦度的关系及高斯公式 对同一折射面 尽管两侧的焦距不相等 单其焦度相等 高斯公式 成像公式 焦距 焦度 解 已知n1 1 0 n2 1 5 r 2cm p 8cm 于是有 p 12cm 解 2 已知n1 1 33 n2 1 5 r 2cm p 8cm 于是有 p 18 5cm 补充例题 圆柱形玻璃棒 n 1 5 的一端为半径是2cm的凸球面 求当棒置于空气中时 在棒的轴线上距离棒端外8cm处的物点所成像的位置 若将此棒放入水 n 1 33 中时 物距不变 像距应是多少 设棒足够长 光线是否发散与折射率及折射面曲率有关 第十一章第一节球面折射 r n2 解 已知n1 1 0 n2 1 33 r 5 7mm D mm mm 补充例题 从几何光学的角度来看 人眼可简化为高尔斯特兰简化眼模型 这种模型将人眼成像归结成一个曲率半径为5 7mm 媒质折射率为1 33的单球面折射成像 试求这种简化眼的焦点位置和焦度 若已知某物在膜后24 02处视网膜上成像 求该物应放在何处 结果与P176简约眼比较 第十一章第一节球面折射 r n2 解 已知p 24 02mm 应用高斯公式 即 mm 解得 mm mm 补充例题 从几何光学的角度来看 人眼可简化为高尔斯特兰简化眼模型 这种模型将人眼成像归结成一个曲率半径为5 7mm 媒质折射率为1 33的单球面折射成像 试求这种简化眼的焦点位置和焦度 若已知某物在膜后24 02处视网膜上成像 求该物应放在何处 第十一章第一节球面折射 液体n1 1 3 玻璃n2 1 5 p P O I p 40cm P 32cm 已知 设球面半径为r r 13 9cm 例题11 1某种液体 n1 1 3 和玻璃 n2 1 5 的分界面为球面 在液体中有一物体放在球面的轴线上 离球面40cm 并在球面前32cm处成一虚像 求球面的曲率半径r 并指出哪种媒质处于球面的凹侧 第十一章第一节球面折射 二 共轴球面系统 两个或两个以上的折射面的曲率中心在同一直线上所组成的系统 在成像过程中 前一折射面所成的像 即为相邻的后一个折射面的物 顺次成像法 p1 p1 p2 p2 0 p3 p3 p4 0 p4 n n n0 n0 n0 怎样求共轴球面系统的成像 1 先求出物体经第一折射面所成之像I1 2 将I1作为第二折射面的物 求它经第二折射面所成的像I2 3 将I2作为第三折射面的物 如此下去求最后成像 n1 n2 n3 n4 I1 I2 I3 第十一章第一节球面折射 例题11 2 玻璃球 n 1 5 的半径为10cm 一点光源放在球前40cm处 求近轴光线通过玻璃球后所成的像 20 40 O I1 n 1 5 解 第一折射面 n1 1 n2 1 5 u1 40cm r 10cm p1 60cm v1 例题11 2 玻璃球 n 1 5 的半径为10cm 一点光源放在球前40cm处 求近轴光线通过玻璃球后所成的像 20 40 O I1 n 1 5 40 第二折射面 n1 1 5 n2 1 u2 40cm r 10cm p2 11 4cm I2 v2 v1 d p p1 p p2 n0 n n0 I1 I p1 第二节薄透镜按共轴球面系统计算 d p p n0 n n0 当n0 1时 薄透镜成像公式 薄透镜的焦度 透镜前后介质相同时 透镜两个焦距相等 习题11 11使焦距为20cm的凸透镜与焦距为40cm的凹透镜密接 求密接后的焦度 f 关键 焦点和焦度的概念 第十一章第三节眼 Theeye 一 眼的光学结构与调节二 视力 屈光不正及其矫正 眼球壁主要分为外 中 内三层外层 角膜 巩膜 中层 葡萄膜 色素膜 有丰富的色素和血管 包括虹膜 睫状体和脉络膜三部分 内层 视网膜 是一层透明的膜 也是视觉形成的神经信息传递的第一站 1 眼的光学结构 角膜 1 376 主光轴 房水 1 336 虹膜 晶状体 1 406 玻璃状液 1 336 视网膜 黄斑 睫状肌 第十一章第三节眼 眼的光学系统 古氏平均眼 共轴球面折射系统 简约眼 把眼睛简化为单球面折射系统 古氏平均眼 简约眼 C 17mm r 5 7mm 17mm F1 F2 n 1 336 对近物睫状肌收缩 增大晶状体表面曲率 增大焦度 对远物 睫状肌松弛 减小晶状体表面曲率 减小焦度 第十一章第三节眼 2 眼的调节 眼睛改变自身焦度使远近不同的物体均能在视网膜上成清晰像的本领 眼的调节是通过睫状肌的收缩改变晶状体表面的曲率半径来完成 第十一章第三节眼 远点 眼睛不调节时能看清的物点到眼睛之间的距离 近点 眼睛最大调节时能看清的物体与眼睛之间的距离 明视距离 最适宜而不易引起眼睛过度疲劳的距离 近点 10 12cm 远点 明视距离 25cm 二 视力 屈光不正及其矫正 视角 视角 从物体两端入射到眼中节点的光线所夹的角度 眼节点 国际标准视力 以分为单位 设眼睛能分辨的最小视角设为 眼的分辨本领 眼睛能分辨两物点间最小距离的能力 视力 正常视力 1 0 像的大小 17mm 正常眼视力 1 0 即视角 1分 此时像和物的大小 25cm 明视距离处物的大小 此时人眼的视力 视细胞直径为4 5微米 所以像能引起两相邻视细胞兴奋 产生两点的感觉 如果像小于4 5微米 像落在同一视细胞上 不能分辨 视力 vision 视力 1 最小视角 分 视力表 国际标准视力表国内标准对数视力表 视力 5 lg 视角10 5 1 0 67 0 5 视力0 10 2 1 01 52 0 眼的分辨本领 视角小 成像小 分辨本领大即视力好 视力表 国标 对数 测试者以准确分辨的最小一行视标的视力数值为最好视力 1分视角 5米 眼 L 课后练习 自画一国际视力表 视力为0 1 0 6 1 0 1 5 视力表的原理 以国际标准视力表中视力1 0为例 L 1 5mm 5米处物的大小 国内标准对数视力表 视力 5 lg 检查视力 我国通常用国际标准视力表和我国缪天容创立的对数视力表 检查时 被检者坐在距视力表5 的地方 国际标准视力表1 0或对数视力表5 0与被检眼在同一水平 双眼分别检查 先右后左 从上而下 受检者迅速说出视标缺口方向 把说对的最小视标一行的字号记录下来 正常人的视力为1 0或5 0 当视力低于0 1时 可逐步走近视力表 按0 1 d 5算出 d为被检者看清该行时距视力表的距离 其视力 如在3 处以看清0 1时 则视力为0 06 P186习题11 16 根据近视度数分类 1 轻度近视 低于 3 00D 2 中度近视 3 00D 6 00D 3 高度近视 高于 6 00D y A B O 11 16解 已知S1 5m S2 3m 设 E 字高为y 视角分别为 1和 2 答 站在3m处时 此人的视力为0 06 第十一章第三节眼 2 眼的屈光不正及其矫正 正视眼 远点距离 近点距离 10 12cm 非正视眼 近视眼远视眼散光眼 近视眼 shortsight 成像 在视网膜前成因 晶状体或角膜曲率变大 聚光能力增强 或眼轴过长 矫正 凹透镜远视眼 farsight 成像 在视网膜后成因 晶状体或角膜曲率变小 聚光能力减弱 或眼轴过短 矫正 凸透镜 近视眼矫正 第十一章第三节眼睛 原因 角膜的各个方向子午线的半径不相等 矫正 配戴适当焦度的柱面透镜 散光眼 A B C D 即散光眼为非对称折射系统 若AB CD 散光眼 astigmatism 散光是指角膜的前表面不是真正的呈球形 这种眼睛通常是健康的 但是对某个方向比其他方向的图像要放大很多倍 更严重的散光引起某一特定角度的视线模糊 这种情况可以通过柱状镜和硬的隐形眼睛矫正 现在还可用一种新的环状软的透镜 柱状镜像试管的薄片 并且通过向内弯曲光线来矫正 老花眼老花是指对近物的视力调节出现进行性退化 眼睛的聚焦能力随着年龄逐渐减弱 到65岁时 很少或完全没有聚焦能力 通常在45岁 当眼睛不能适应正常的阅读距离时才引起注意 大的印迹可以被看到 但是小的印迹难以或不能被聚焦 报纸需要放在胳膊长的距离来阅读 通常用简单的凸透镜进行纠正 老花眼 原因 调节功能衰退 特点 看远正常 看近不行 矫正方法 配戴适当焦度的凸透镜 如何眼镜 近视眼的配镜 凹透镜的作用是把无穷 或远物 的物体成像在眼睛的远点 使眼不调节可看清远物 远点 凹透镜 此时有 p p 远点距离 由透镜成像公式 得 f p 凹透镜焦度 1 f 1 p 凹透镜片度数 100D 度 远点距离 50cm 解 已知p p 50cm 0 5m 代入 即 得f 0 5m 2 D 2 100 度 200 度 例题 一近视眼的远点在眼前50cm处 今欲使其看清无限远的物体 则应配戴多少度的眼镜 远视眼的配镜 凸透镜的作用是把眼前 或明视距离 的物成像在近点 近点 凸透镜 此时有 p 25cm p 近点距离由透镜成像公式 得 凸透镜焦度 1 f凸透镜片度数 100D 度 物 25cm 例题11 6 一远视眼的近点在1 2m处 要看清眼前12cm处的物体 问应配戴怎样的眼镜 近点 12cm 解 已知p 0 12mp 1 2m 代入 即 得f 0 133m 7 5 D 7 5 100 度 750 度 散光眼的配镜 物点 像点1 像点2 A B C D 近视散光 凸柱面透镜 凹柱面透镜 折射面不对称 电脑验光 属于客观验光法 用于这种验光的机器是光学 电子 机械三方面结合起来的仪器 另外采用红外线光源及自动雾视装置达到放松眼球调节的目的 采用光电技术及自动控制技术检查屈光度 并可自动显示及打印出屈光度数 验光的方法有两种 显然验光 散瞳验光 显然验光 验光时根据患者自觉视力的好坏来决定屈光度数 散瞳验光 客观验光 用睫状肌麻醉剂点眼 以麻醉睫状肌而除去调节 采用光电技术检查屈光度 配镜验光常识 准分子激光是一种能够精确聚焦和控制的紫外光束 其切削精度非常高 能够在人的头发丝上刻出各种花样来 准分子激光为冷光源 不产生热量 因而对切削的周围组织无损伤 准分子激光治疗近视眼国外从1988年开始 国内从1993年开始 医生在治疗前将近视度数输入计算机 由计算机来控制切削的范围和深度 在角膜中心削出一个光滑的平面 使角膜曲率变平 光线能够直接聚焦于视网膜上 视力变得清晰 PRK手术准分子激光角膜切削术 手术的原理为应用准分子激光切削角膜中央前表面 即除去上皮层的前弹力层和浅层基质 使角膜前表面弯曲度减少 曲率半径增加 屈光能力减低 焦点向后移至视网膜上 达到矫正近视的效果 LASIK手术准分子激光原位角膜磨镶术 手术是采用更为复杂的新型设备开展的针对高度近视眼的治疗手术 在角膜表面切削一角膜瓣 翻转角膜瓣后 应用准分子激光电脑控制角膜基质内切削 最后将角膜瓣复位 例1 一近视眼远点在2米 应配什么眼镜才能看清远处物体 例2 一远视眼近点在125cm 需配什么眼镜 近视眼的配镜 凹透镜的作用是把无穷 或远物 的物体成像在眼睛的远点 使眼不调节可看清远物 远视眼的配镜 凸透镜的作用是把眼前 或明视距离 的物成像在近点 第十一章第四节放大镜和显微镜 一 放大镜 眼节点 f 25cm 角放大率 即 f以cm为单位 y 作用 增大视角像 放大正立虚像 光学仪器的角放大率 物体经光学仪器后对眼睛的视角物体在明视距离不经仪器对眼睛的视角 为什么角放大率不能很大 二 显微镜的成像原理 y F1 F2 目镜L2 物镜L1 f1 f2 y 25cm 显微镜的放大率 1 显微镜的光学原理 显微镜的放大率 y F1 F2 L2 物镜L1 目镜 f1 f2 显微镜的放大率 y F1 F2 L1 L2 物镜 目镜 f1 f2 物镜线放大率 目镜角放大率 s s f2 s 镜筒长度 目镜 增大视角 物镜 分辨细节 提高分辨本领 分辨本领 能分辨 恰能分辨 不能分辨 2 显微镜分辨本领 A1 A2 A1 A2 A1 A2 0 0 0 0 分辨距离 能分辨清楚的两物点的最短距离 Z 分辨本领 分辨极限的倒数 1 Z Z 瑞利判据 p180 1 0 0 8 艾里斑 显微镜的分辨本领 显微镜能分辨最短距离的能力 物镜 根据瑞利判据的条件 得 显微镜物镜能分辨两点之间的最短距离 物镜的孔径数 u 强度 Z 提高显微镜分辨本领的方法 增大物镜的孔径数N A 采用油浸镜头 减少照射光的波长 采用紫外线 电子射线 2004年7月孙燕姿在长沙机场 美国雷泰ST60红外测温仪 电镜下SARS病毒 电镜是以电子束代替光束 提高显微镜分辨本领的方法 分辨距离 增大物镜的孔径数N A 采用油浸镜头 减小照射光的波长 采用紫外线 电子射线 盖玻片 n 1 52 n 1 干物镜 物镜 n 1 52 油浸物镜 油 n 1 52 标本 显微镜的分辨本领与放大率 显微镜成像的质量 放大率 物镜线放大率 目镜角放大率 分辨本领 例 物镜目镜放大率 1 40 N A0 6520 800 2 100 N A1 38 800 只决定物镜特性 1 数值孔径N A的选择 显微镜最小分辨距离Z不大于所要分辨的细节x 2 放大率的选择 细节像的大小对眼睛所张的视角不小于1分 怎样选用显微镜 放大率约为细节像与所要分辨的细节之比 11 17显微镜目镜的焦距为2 5cm 物镜的焦距为1 6cm 物镜和目镜相距22 1cm 最后成像于无穷远处 问 1 标本应放在物前什么地方 2 物镜的线放大率是多少 3 显微镜的总放大倍数是多少 解 物镜的物距和像距分别为p1和p1 目镜的物距和像距分别为p2和p2 且p2 则目镜的物距p2 2 5cm y F1 F2 f1 f2 物镜的像距p 22 1 2 5 19 6cm 物镜的物距p 1 74cm 2 物镜的线放大率 3 显微镜的总放大率 y F1 F2 f1 f2 第五节特种显微镜与纤镜 一 特种显微镜偏光显微镜电子显微镜 透射电子显微镜 1938年TEM 扫描电子显微镜 1952年SEM 扫描隧道电子显微镜 1983年STM 超声显微镜激光扫描共聚焦显微镜 198 年 S M 二 纤镜 用于检测具有双折射性的物质 如纤维丝 纺锤体 胶原 染色体等等 1 偏光显微镜 polarizingmicroscope 一 特种显微镜 Glassceramictransmissionmicroscopeimagemadewithunpolarisedlight Glassceramictransmissionmicroscopeimagemadewithpolarisedlight 使用偏光显微镜 使用普通光学显微镜 2 电子显微镜 electronmicroscope 20世纪20年代法国科学家德布罗意发现电子流也具有波动性 电子波长远小于光波长 于是科学家们就想到是否可以用电子束来代替光波 书本 P 183 图11 29 光学显微镜与透射电子显微镜的对照 德国柏林工科大学卢斯卡 1932年制作了第一台电子显微镜 证实了使用电子束和电子透镜可形成与光学像相同的电子像 电子显微镜分为 1 透射式电子显微镜TEM 2 扫描式电子显微镜 分为扫描电子显微镜SEM和扫描隧道电子显微镜STM 光学显微镜 TEM SEM成像原理比较 freezeetchyeast TEMimages Cells mitochondria nervecellbundle 透射式电子显微镜 酵母 线粒体 神经束 butterflyscale VariousSEMimages otter wood jpg wood1 jpg wood2 jpg 扫描电子显微镜 人类血细胞SEM照片图片来自 扫描电子显微镜 扫描隧道电子显微镜 scanningtunnelingmicroscope STM 德国学者宾尼格和瑞士学者罗雷尔于1982年制造成功 这种新型的显微镜 放大倍数可达3亿倍 最小可分辨的两点距离为原子直径的1 10 也就是说它的分辨率高达0 1埃 而光学显微镜的分辨本领约为1 10 6m 获得了1986年诺贝尔物理奖 扫描隧道电子显微镜下观察到锂原子 1987年12月21日新华社报道了我国科学院北京电子显微镜实验室和中科院化学研究所合作设计研制成功了新的扫描隧道显微镜 分辨率达到原子级 图像质量达到国际水平 1993年 美国科学家成功地进行了移动铁原子的实验 在低温条件下 用STM针尖将48个铁原子排列成了一个称之为 量子围栏 的圆环 3 激光扫描共聚焦显微镜 LaserscanningConfocalMicroscopy 简称LSCM 获得细胞或组织内部结构图像 激光扫描共聚焦显微镜利用激光束经照明针孔形成点光源对标本内焦平面的每一点扫描 标本上的被照射点的反射光迅速在计算机监视器屏幕上形成荧光图像 CONFOCALMICROSCOPY 细胞CT 二 纤镜 玻璃纤维 光导纤维 n n1 n1 n i 全反射 设最大投射角为i 则 光学玻璃纤维的数值孔径 N A n0 公式推导下页 n n1 n1 n i 全反射 n0 纤镜 由数万根玻璃纤维捆缚成束构成 纤镜作用 把强光导入器官 体 内 把器官 体 内的像导出体外 光导纤维内窥镜 医学常用纤镜 支气管镜 食道镜 胃镜 膀胱镜 腹腔镜 子宫镜等 videoendoscope fiberscope Stomachcancer 腔镜手术术后伤口 传统手术术后伤口 3 用于腹膜腔的内镜 1 用于消化道的内镜 2 用于呼吸系统的内镜 按其功能分类 5 用于泌尿系的内镜 4 用于胆道的内镜 6 用于妇科的内镜 7 用于血管的内镜 8 用于关节的内镜 电子内镜 Summary 第十一章主要内容 单球面折射公式 符号规则 折射面焦度 共轴球面系统 折射面焦度 薄透镜成像公式 薄透镜焦度 简约眼 眼的调节 视力 眼的屈光不正及其矫正 计算 放大镜 显微镜放大率 显微镜的分辨距离和公式 提高显微镜分辨本领的两个途径 纤镜 远点和近点 瑞利判据 分辨本领 1 眼睛的调节可使远近不同的物体均能在视网膜上成清晰的像 这种调节是通过改变来完成的 常用来表示眼的分辨本领 即视力 2 提高显微镜分辨本领的两个途径是 和 小测验 一 概念填空 1 一近视眼的远点在2m的人 为了看清远物 需要配戴度的眼镜 二 计算填空 1 眼球的平均折射率是4 3 眼球角膜的平均曲率半径为7 8mm 现把眼睛简化为一个单球面折射系统 其折射面是眼球角膜 求眼球角膜的焦度 经过实际测定 某人眼的瞳孔深度为3 54mm 由瞳孔至眼球角膜前的距离 求其他人从外面观看该人眼瞳孔的深度是多少 42 3D 3mm 2 一光学显微镜的物镜数值孔径为N A 0 9 设照明光波长为550nm 则该显微镜能观察 m的最小细节 三 计算题 解答过程 第十一章第五节特种显微镜与纤镜 最近广西医科大学一附院腔镜中心卢榜裕教授 覃晓副教授利用电视腹腔镜成功地为三位肝癌患者作了肝段 叶 切除术 术中只需在腹部打4个小孔 在腹腔镜引导下术野显露十分清楚 分离切割均在 直视 下进行 术中病人血压 心率及有关生命指标稳定 用超声刀切下的病肝用消毒袋装好经腹壁开一小切口取出 术野干净 切缘无明显渗血 术后第二天病人即恢复肠道排气 可下床行走 恢复正常饮食 由于伤口不用拆线 术后五天即能出院 光缆通信的优点光缆是数据传输中最有效的一种传输介质 它的优点主要有以下几个方面 1 频带较宽 2 电磁绝缘性能好 光纤电缆中传输的是光束 由于光束不受外界电磁干扰与影响 而且本身也不向外辐射信号 因此它适用于长距离的信息传输以及要求高度安全的场合 3 衰减较小 可以说在较长距离和范围内信号是一个常数 4 中继器的间隔较大 因此可以减少整个通道中继器的数目 可降低成本 而同轴电缆和双绞线每隔几千米就需要接一个中继器 为了确保中央电视台的电视节目能够安全地到达全国各地 实际中采用了两套传输方式 一种是卫星电视 另外一种是微波接力 这两种方式在本质上都是 接力 只不过 卫星通信只接力了一次 而微波通信则接力了多次 卫星通信接力的次数虽然少 但是质量不高 并且传输的带宽非常有限 不能满足多个用户的需要 而微波通信相比较而言质量比较好 但是中继距离太短 最长的中继距离不会超过50公里 因而所需的中继站很多 微波中继站越多 传输线路的成本就越高 维护越不方便 一旦某一个中继站出了故障就会影响整个线路的通信 所以 通信系统中 中继站越少越好 微波接力通信 光通信系统图 普通光学显微镜通过提高和改善透镜的性能 使放大率达到1000 1500倍左右 但一直末超过2000倍 这是由于普通光学显微镜的放大能力受光的波长的限制 光学显微镜是利用光线来看物体 为了看到物体 物体的尺寸就必须大于光的波长 否则光就会 绕 过去 理论研究结果表明 普通光学显微镜的分辨本领不超过200纳米 有人采用波长比可见光更短的紫外线 放大能力也不过再提高一倍左右 一 特殊显微镜 简介电子显微镜和扫描隧道显微镜 人眼只能分辨0 2mm左右 电子显微镜 electronmicroscope 20世纪20年代法国科学家德布罗意发现电子流也具有波动性 运动着的电子可以看作是一种电子波 其波长与能量有确定关系 能量越大波长越短 比如电子经1000伏特的电场加速后其波长是0 388埃 用10万伏电场加速后波长只有0 0387埃 于是科学家们就想到是否可以用电子束来代替光波 这是电子显微镜即将诞生的一个先兆 20世纪20 30年代 证实了轴对称分布的电磁场具有能使电子束偏转 聚焦的作用 从而找到了相当于光学显微镜中的透镜 电子透镜 这就是具有高分辨率的电子显微镜产生的基础 书本 P 183图11 29光学显微镜与电子显微镜的对照 电子显微镜分为两大类 透射电镜和扫描电镜 透射电镜具有极高的分辨率 但由于必须采用超薄样品 如厚度为几百甚至几十埃 所以景深的问题不突出 透射电镜的工作原理和普通光学显微镜非常相似 包括照明系统 成像系统和观察 照相室等 扫描电镜则在这个意义上填补了两者的空隙 即既有高分辨率 又有大景深 见表各类显微镜的光学参数 扫描电镜利用从块状样品表面收集到的信号电子成像 因此相当于一种 反射式 显微镜 个别情况下也可采用透射模式 德国柏林工科大学的年轻研究员卢斯卡 1932年制作了第一台电子显微镜 第一次由电子束形成的图像 加速电压为7万 最初放大率仅为12倍 尽管放大率微不足道 但它却证实了使用电子束和电子透镜可形成与光学像相同的电子像 经过不断地改进 1933年卢斯卡制成了二级放大的电子显微镜 获得了金属箔和纤维的1万倍的放大像 1939年西门子公司制造出分辨本领达到30埃的世界上最早的实用电子显微镜 并投入批量生产 利用电子束对样品放大成像的显微镜 简称电镜 电镜的放大倍率可达百万 可分辨样品的最小细节为几个埃 IBM等开发成功可观察原子的电子显微镜 美国IBM公司2002年8月宣布 成功地使用扫描透射电子显微镜 STEM 观察到了单个原子 最新式的电子显微镜能够把物体放大几十万倍 甚至百万倍以上 分辨本领高达1 10 10m 用它可以观察到原子 此次得到的用于区别2点间位置的 点分辨率 的值为0 075nm 75pm 由此 就能够识别出在碳薄膜上形成的 构成直径约为5nm的金结晶的单个原子 电子显微镜下观察到锂原子 美国马萨诸塞理工学院机械工程系扬 沙奥霍恩和加利福尼亚大学材料学系马克 奥基菲博士 成功地在电子显微镜下首次观察到锂原子 如果不算氦原子和氢原子 锂原子是自然界中最小的原子 激光共焦显微镜 1978年 一种新的物理探测系统 扫描隧道显微镜已被德国学者宾尼格和瑞士学者罗雷尔系统地论证了 并于1982年制造成功 这种新型的显微镜 放大倍数可达3亿倍 最小可分辨的两点距离为原子直径的1 10 也就是说它的分辨率高达0 1埃 获得了1986年诺贝尔物理奖 扫描隧道显微镜采用了全新的工作原理 它利用一种电子隧道现象 将样品本身作为一具电极 另一个电极是一根非常尖锐的探针 把探针移近样品 并在两者之间加上电压 当探针和样品表面相距只有数十埃时 由于隧道效应在探针与样品表面之间就会产生隧穿电流 并保持不变 若表面有微小起伏 那怕只有原子大小的起伏 也将使隧穿电流发生成千上万倍的变化 这种携带原子结构的信息 输入电子计算机 经过处理即可在荧光屏上显示出一幅物体的三维图象 度呈指数衰减 衰减长度约为1nm 用一个极细的 只有原子线度的金属针尖作为探针 将它与被研究物质 称为样品 的表面作为两个电极 当样品表面与针尖非常靠近 距离 1nm 时 两者的电子云略有重叠 根据量子力学原理 由于电子的隧道效应 金属中的电子并不完全局限于金属表面之内 电子云密度并不是在表面边界处突变为零 在金属表面以外 电子云密 1987年12月21日新华社报道了我国科学院北京电子显微镜实验室和中科院化学研究所合作设计研制成功了新的扫描隧道显微镜 分辨率达到原子级 图像质量达到国际水平 以下优点 具有原子量级的精度 可实时动态观察物体表面的三维图像 可实现表面纳米级加工 可对原子 分子进行操作 可在大气 真空 液体环境中观察样品 可在常温 低温下工作 利用STM针尖 可以对原子和分子进行操纵 1990年 IBM公司两位科学家用STM针尖移动吸附在金属镍表面上的氙原子 得到了图7所示的形状 他们经过22小时的操作 把35个氙原子排成了 IBM 字样 这几个字母高度约是一般印刷用字母的二百万分之一 原子间间距只有1 3nm左右 这是人类有目的 有规律地移动和排布单个原子的开始 图7移动35个氙原子排成了 IBM 字样 1991年 IBM公司的 拼字 科研小组用STM针尖移动吸附在金属表面的一氧化碳分子 拼成了一个大脑袋小人的形象