How big is Plej malgranda aĵo videbla tra optika mikroskopo?

Ordinara optika mikroskopo, kiu formas bildon per videbla lumo kaj vitraj lensoj, ne povas montri detalojn pli malgrandajn ol ĉirkaŭ 200 nanometroj, aŭ 0,2 mikrometroj. Nanometro estas miliardono de metro, kaj mikrometro estas milionono de metro. Tiu limo venas de la maniero, kiel lumo kondutas kiel ondo, kaj ĝi estas proksimuma.

Grando

La limo koncernas distingopovon: la plej mallongan distancon inter du punktoj, kiujn mikroskopo ankoraŭ povas montri kiel apartajn. Du punktoj, kiuj estas pli proksimaj unu al alia ol tio, ŝmiriĝas en unu. La limo ne dependas de la pligrandigo. Kiam la pligrandigo superas ĉirkaŭ 1 000 fojojn, plia pligrandigo faras la bildon pli granda, sed ne montras pliajn detalojn.

En 1873 la mikroskopisto Ernst Abbe publikigis ekvacion, kiu montras, ke la distingopovo dependas de la ondolongo de la lumo. En la plej bona kazo ĝi estas ĉirkaŭ duono de la ondolongo. Unu ofta formo de la kalkulo dividas la ondolongon per la duoblo de la nombra aperturo, nombro, kiu mezuras, kiom da lumo la lenso kolektas.

La plej bonaj lensoj rigardas tra guto da oleo kaj atingas nombran aperturon de ĉirkaŭ 1,4. Kun verda lumo, 550 nanometrojn longa, ili povas distingi detalojn, kiuj estas ĉirkaŭ 0,2 mikrometrojn unu de alia. Kun ruĝa lumo, 700 nanometrojn longa, la sama speco de kalkulo donas pli grandan limon, kaj kun viola lumo pli malgrandan.

Komparoj de grando

Ruĝa sangoĉelo, kies diametro estas ĉirkaŭ 7,5 mikrometroj, estas ĉirkaŭ 37 fojojn pli granda ol la limo, do ĝia formo klare videblas.
Partiklo de Mimiviruso, kun diametro de ĉirkaŭ 750 nanometroj, estas preskaŭ kvar fojojn pli granda ol la limo. Ĝi estas sufiĉe granda por esti vidata per lummikroskopo, kio estas malofta ĉe viruso.
Partiklo de HIV, kun diametro de ĉirkaŭ 145 nanometroj, estas pli malgranda ol la limo, do lummikroskopo ne povas montri ĝian formon.
Ĉirkaŭ 400–500 detaloj ĉe la limo, vicigitaj unu apud alia, atingus la dikecon de homa haro, kiu estas 80–100 mikrometrojn dika.
Se la limo pligrandiĝus ĝis 1 milimetro, la plej malgranda streko sur metrika liniilo, homa haro estus 40–50 centimetrojn dika. HIV-partiklo havus diametron de ĉirkaŭ 0,7 milimetroj, malpli ol unu el la strekoj de la liniilo.

Vidi punkton sen vidi ĝian formon

La limo koncernas detalojn, ne la eblon rimarki ion ajn. Unuopa lumanta molekulo povas aperi en ordinara mikroskopo kiel lumpunkto, se ĝi estas pli ol 0,2 mikrometrojn for de ajna alia lumanta molekulo. La punkto estas ŝmirita ĝis la grando de la limo, do ĝi montras, kie estas la molekulo, sed ne kiel ĝi aspektas.

Pli mallongaj ondolongoj donas pli fajnajn detalojn. Mikroskopoj, kiuj uzas proksiman ultraviolan lumon, povas distingi pli malgrandajn detalojn ol tiuj, kiuj uzas videblan lumon. Elektronaj mikroskopoj iras multe pli for. La elektronoj, kiujn ili uzas, kondutas kiel ondoj kun ondolongo de ĉirkaŭ 0,005 nanometroj, multe pli mallonga ol tiu de lumo.

Superado de la limo

Dum la plejparto de la 20-a jarcento sciencistoj kredis, ke optikaj mikroskopoj neniam povos montri ion pli malgrandan ol ĉirkaŭ 0,2 mikrometroj. Stefan Hell proponis manieron preterpasi la limon en 1994 kaj montris, ke ĝi funkcias, en 2000. Lia metodo uzas unu pulson de lumo por igi molekulojn lumi kaj duan, ringoforman laserradion por malŝalti ĉiujn krom tiuj en eta punkto.

W. E. Moerner kaj Eric Betzig evoluigis alian metodon, kiu ŝaltas nur kelkajn lumantajn molekulojn samtempe kaj kombinas multajn bildojn. La tri kune ricevis la Nobel-premion pri kemio de 2014 „pro la evoluigo de superdistinga fluoreska mikroskopio“. Laŭ la vortoj de la Reĝa Sveda Scienca Akademio, kiu aljuĝas la premion, ilia laboro signifas, ke „mikroskopio fariĝis nanoskopio“.