How big is Cel mai mic lucru vizibil la un microscop optic?

Un microscop optic obișnuit, care formează imaginea cu ajutorul luminii vizibile și al lentilelor de sticlă, nu poate arăta detalii mai mici de aproximativ 200 de nanometri, adică 0,2 micrometri. Un nanometru este o miliardime de metru, iar un micrometru este o milionime de metru. Această limită provine din felul în care se comportă lumina ca undă și este aproximativă.

Dimensiune

Limita privește rezoluția: cea mai mică distanță dintre două puncte pe care un microscop le mai poate arăta separat. Două puncte aflate mai aproape unul de altul decât atât se contopesc într-unul singur. Limita nu depinde de mărire. Dincolo de o mărire de aproximativ 1.000 de ori, o mărire suplimentară a imaginii o face mai mare, dar nu arată mai multe detalii.

În 1873, microscopistul Ernst Abbe a publicat o ecuație care arată că rezoluția depinde de lungimea de undă a luminii. În cel mai bun caz, ea este de aproximativ jumătate din lungimea de undă. O formă uzuală a calculului împarte lungimea de undă la dublul aperturii numerice, un număr care măsoară cât de multă lumină adună lentila.

Cele mai bune lentile privesc printr-o picătură de ulei și ating o apertură numerică de aproximativ 1,4. Cu lumină verde, cu lungimea de undă de 550 de nanometri, ele pot distinge detalii aflate la aproximativ 0,2 micrometri unul de altul. Cu lumină roșie, cu lungimea de undă de 700 de nanometri, același tip de calcul dă o limită mai grosieră, iar cu lumină violet, una mai fină.

Comparații de dimensiune

O globulă roșie, cu un diametru de aproximativ 7,5 micrometri, este de aproximativ 37 de ori mai mare decât limita, așa că forma ei se vede clar.
O particulă de Mimivirus, cu un diametru de aproximativ 750 de nanometri, este de aproape patru ori mai mare decât limita. Este suficient de mare ca să fie văzută cu un microscop optic, lucru rar în cazul unui virus.
O particulă de HIV, cu un diametru de aproximativ 145 de nanometri, este mai mică decât limita, așa că un microscop optic nu îi poate arăta forma.
Pe grosimea unui fir de păr uman, care este de 80–100 de micrometri, ar încăpea una lângă alta aproximativ 400–500 de detalii de mărimea limitei.
Dacă limita ar fi mărită până la 1 milimetru, cea mai mică diviziune a unei rigle metrice, un fir de păr uman ar avea o grosime de 40–50 de centimetri. O particulă de HIV ar avea un diametru de aproximativ 0,7 milimetri, mai mic decât una dintre diviziunile riglei.

Un punct care se vede, fără forma lui

Limita privește detaliile, nu faptul de a detecta ceva. O singură moleculă care strălucește poate apărea într-un microscop obișnuit ca un punct de lumină, dacă se află la mai mult de 0,2 micrometri de orice altă moleculă care strălucește. Punctul este estompat până la dimensiunea limitei, așa că arată unde se află molecula, dar nu cum arată ea.

Lungimile de undă mai scurte oferă detalii mai fine. Microscoapele care folosesc lumină din ultravioletul apropiat pot distinge detalii mai mici decât cele care folosesc lumină vizibilă. Microscoapele electronice merg mult mai departe. Electronii folosiți de ele se comportă ca unde cu o lungime de undă de aproximativ 0,005 nanometri, mult mai scurtă decât cea a luminii.

Depășirea limitei

Timp de cea mai mare parte a secolului al XX-lea, oamenii de știință au crezut că microscoapele optice nu vor putea arăta niciodată nimic mai mic de aproximativ 0,2 micrometri. Stefan Hell a propus o cale de a ocoli limita în 1994 și a arătat că ea funcționează în 2000. Metoda lui folosește un impuls de lumină pentru a face moleculele să strălucească și un al doilea fascicul laser, în formă de inel, pentru a le stinge pe toate, cu excepția celor dintr-un punct foarte mic.

W. E. Moerner și Eric Betzig au dezvoltat o altă metodă, care aprinde de fiecare dată doar câteva molecule luminoase și combină multe imagini. Cei trei au primit împreună Premiul Nobel pentru Chimie din 2014 „pentru dezvoltarea microscopiei de fluorescență cu super-rezoluție”. În cuvintele Academiei Regale Suedeze de Științe, care acordă premiul, munca lor înseamnă că „microscopia a devenit nanoscopie”.