ما حجم أصغر شيء مرئي بالمجهر الضوئي؟

لا يستطيع المجهر الضوئي العادي، وهو المجهر الذي يكوّن الصورة بالضوء المرئي والعدسات الزجاجية، أن يُظهر تفاصيل أصغر من نحو 200 نانومتر، أي 0.2 ميكرومتر. النانومتر جزء من مليار من المتر، والميكرومتر جزء من مليون من المتر. ينشأ هذا الحد من سلوك الضوء بوصفه موجة، وهو حد تقريبي.

الحجم

الحد مفروض على دقة التمييز، وهي أقصر مسافة بين نقطتين لا يزال المجهر قادرًا على إظهارهما منفصلتين. وتمتزج نقطتان أقرب إحداهما إلى الأخرى من ذلك فتبدوان نقطة واحدة. ولا يعتمد الحد على التكبير. فبعد تكبير يبلغ نحو 1,000 ضعف، يجعل المزيد من التكبير الصورة أكبر لكنه لا يُظهر تفاصيل إضافية.

في عام 1873 نشر إرنست آبه، المتخصص في المجهرية، معادلة تبيّن أن دقة التمييز تعتمد على الطول الموجي للضوء. وفي أفضل الأحوال تبلغ نحو نصف الطول الموجي. وفي إحدى الصيغ الشائعة للحساب يُقسَم الطول الموجي على ضعف الفتحة العددية، وهي رقم يقيس كمية الضوء التي تجمعها العدسة.

تنظر أفضل العدسات عبر قطرة زيت، وتصل فتحتها العددية إلى نحو 1.4. وبالضوء الأخضر الذي طوله الموجي 550 نانومتر، تستطيع تمييز تفاصيل تفصل بينها مسافة نحو 0.2 ميكرومتر. أما بالضوء الأحمر الذي طوله الموجي 700 نانومتر، فيعطي حساب من النوع نفسه حدًّا أقل دقة، وبالضوء البنفسجي حدًّا أدق.

مقارنات الحجم

يبلغ قطر خلية دم حمراء نحو 7.5 ميكرومتر، أي ما يعادل نحو 37 ضعفًا للحد، ولذلك يظهر شكلها بوضوح.
يبلغ عرض جسيم فيروس ميمي نحو 750 نانومتر، أي ما يقارب أربعة أضعاف الحد. والجسيم كبير بما يكفي ليُرى بالمجهر الضوئي، وهذا نادر بين الفيروسات.
يبلغ عرض جسيم فيروس نقص المناعة البشري نحو 145 نانومتر، وهو أصغر من الحد، ولذلك لا يستطيع المجهر الضوئي إظهار شكله.
يتسع عرض شعرة الإنسان، وهو 80–100 ميكرومتر، لنحو 400–500 تفصيل عند حد الدقة.
لو جرى تكبير الحد إلى 1 مليمتر، وهو أصغر تدريجة على المسطرة المترية، لبلغ عرض شعرة الإنسان 40–50 سنتيمترًا. ولكان عرض جسيم فيروس نقص المناعة البشري نحو 0.7 مليمتر، أي أصغر من إحدى تدريجات المسطرة.

رؤية نقطة دون رؤية شكلها

الحد مفروض على التفاصيل، لا على مجرد اكتشاف وجود شيء أصلًا. فقد يظهر جزيء واحد متوهج في مجهر عادي على هيئة بقعة ضوء، إذا كان يبعد أكثر من 0.2 ميكرومتر عن أي جزيء متوهج آخر. وتتشوش البقعة حتى تصبح بحجم الحد، فتكشف مكان الجزيء لكنها لا تكشف شكله.

تعطي الأطوال الموجية الأقصر تفاصيل أدق. وتستطيع المجاهر التي تستخدم الضوء فوق البنفسجي القريب تمييز تفاصيل أصغر من تلك التي تميّزها المجاهر المستخدمة للضوء المرئي. وتذهب المجاهر الإلكترونية إلى مدى أبعد بكثير. فالإلكترونات التي تستخدمها تسلك سلوك الموجات بطول موجي يبلغ نحو 0.005 نانومتر، وهو أقصر بكثير من الطول الموجي للضوء.

تجاوز الحد

ظل العلماء طوال معظم القرن العشرين يعتقدون أن المجاهر الضوئية لن تُظهر أبدًا ما هو أصغر من نحو 0.2 ميكرومتر. واقترح ستيفان هيل عام 1994 طريقة للالتفاف على هذا الحد، وبيّن عام 2000 أنها تعمل. تستخدم طريقته نبضة ضوء واحدة لجعل الجزيئات تتوهج، ثم شعاع ليزر ثانيًا على شكل حلقة لإطفاء توهج جميع الجزيئات عدا تلك الموجودة في بقعة صغيرة جدًا.

وطوّر و. إ. مورنر وإريك بيتزيغ طريقة أخرى تُشغّل بضعة جزيئات متوهجة فقط في كل مرة وتجمع بين صور كثيرة. واقتسم الثلاثة جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2014 «لتطوير المجهرية الفلورية فائقة الدقة». وبحسب تعبير الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم، وهي الجهة التي تمنح الجائزة، فإن عملهم يعني أن «المجهرية أصبحت نانوسكوبية».