Mikroskop Physik

Die Augen der Menschen können schon sehr viel wahrnehmen. Doch es existieren noch viele Objekte, die Du nicht sehen kannst. Um zu kleine Gegenstände oder sogar Lebewesen erforschen zu können, benutzt Du eine Linse, wie die einer Lupe. In der Wissenschaft reicht die Vergrößerung einer Lupe jedoch nicht aus.

Mit dem optischen Gerät, dem Mikroskop – oder Lichtmikroskop, erforschen Wissenschaftler*innen die Welt der Mikroorganismen. Auch Dir offenbart sich damit ein Teilbereich der Optik, die Mikroskopie.

Mikroskop Optik Physik

Mikroskope werden in der Wissenschaft zu Analysezwecken verwendet. Hierbei werden kleine Substanzen, die vom menschlichen Auge nicht genau betrachtet werden können, um ein Vielfaches vergrößert.

In der Schule werden in der Regel Zwiebelschalen mikroskopiert. Ansonsten findest Du Mikroskope oft in der Medizin oder Pharmazeutik. Dort werden etwa Blutproben untersucht, um Diagnosen für Patienten zu erstellen. Wie ein Mikroskop das schaffen kann, zeigt Dir dessen Aufbau.

Lichtmikroskop

Die Menschen benutzen das Lichtmikroskop schon seit 1660. Zu dieser Zeit gelang es dem Niederländer Antoni van Leeuwenhoek, mit einer 270-fachen Vergrößerung Bakterien zu beschreiben. Heute werden Lichtmikroskope mit einer bis zu 1000-fachen Vergrößerung benutzt.

Die Schärfe des entstehenden Bildes ist von zwei Faktoren abhängig. Zum einen ist sie an die Wellenlängen des Lichts gebunden. Dadurch ist das Lichtmikroskop auf eine maximale 1.500-fache Vergrößerung beschränkt.

Zum anderen limitiert das Auflösungsvermögen Deines Auges, wie gut Du das Bild erkennen kannst. Ein durchschnittliches Auge hat eine Auflösung von etwa 4,32 Megapixel. Zum Vergleich schießen moderne Kameras Fotos mit 24 oder mehr Megapixeln. Moderne Smartphones schaffen durchschnittlich 12 Megapixel.

Tatsächlich sind noch höhere Vergrößerungen möglich. Dafür wird ein sogenanntes Elektronenmikroskop benutzt. Bei der Elektronenmikroskopie werden Bilder durch Elektronenstrahlen erzeugt. Diese haben eine viel kleinere Wellenlänge als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts. Dadurch können Bilder von Objekten erzeugt werden, die im Vergleich zum Lichtmikroskop viel detaillierter sind. Weiterhin werden diese Bilder auf einem hochauflösenden Bildschirm abgebildet.

Wie sieht der Aufbau eines Lichtmikroskops aus?

Mikroskop Aufbau

Ein Lichtmikroskop besteht aus zwei Linsen, dem Okular und dem Objektiv. Diese Linsen sind dazu da, um die Probe zu vergrößern.

Abb. 1 – Grundlegender Aufbau eines Lichtmikroskops.

Ganz oben befindet sich das Okular. Dort schaust Du mit Deinem Auge hinein, um das vergrößerte Bild erkennen zu können. Darauf folgt der Tubus. Er verbindet das Okular mit dem Objektiv. Folglich befindet sich am Ende dieses Zylinders das Objektiv. Tatsächlich werden Mikroskope mit mehreren Objektiven – über einen Objektivrevolver – ausgestattet. Das liegt daran, dass Du dadurch mehrere Vergrößerungsstufen einstellen kannst, ohne weitere Mikroskope benutzen zu müssen.

Unter den Objektivrevolver platzierst Du die Probe, die Du mikroskopieren möchtest, auf dem sogenannten Objekttisch. Folglich nennst Du die von Dir präparierte Probe in jedem Fall Objekt. Zuletzt wird das Objekt von unten durch eine Lichtquelle beleuchtet. Der Verlauf des Lichts durch das Mikroskop wurde mit gelben Pfeilen hinterlegt.

Ohne Licht, kannst Du in diesem Mikroskop also nichts erkennen. Die tatsächliche Vergrößerung erfolgt durch die Interaktion beider Linsen mit dem Licht.

Mikroskop Linsen Physik

Das Okular sowie das Objektiv in einem Mikroskop sind jeweils Sammellinsen.

Eine Sammellinse kann drei Formen annehmen. Die erste Sammellinse ist an beiden Seiten nach außen gewölbt. Diese Form bezeichnest Du somit als bi-konvex. Die zweite Sammellinse hat auf einer Seite eine flache – oder plane – Seite. Folglich ist sie eine plan-konvexe Linse. Die dritte und letzte Form ist auf einer Seite nach innen gewölbt – oder auch konkav. Dies ist eine konvex-konkave Sammellinse.

Abb. 2 – Formen von Sammellinsen.

In einem Mikroskop haben beide Linsen eine bikonvexe Form. Solch eine Sammellinse hat zwei Brennpunkte, die sich auf beiden Seiten in demselben Abstand vom Mittelpunkt der Sammellinse befinden.

Wie schaffen es Tubus und Sammellinsen nun das Objekt zu vergrößern?

Mikroskop Funktionsweise Physik

Wie bereits beschreiben wird die Substanz, die Du beobachten möchtest, wird von unten beleuchtet. Das Licht interagiert mit der Substanz. Dabei wird ein Teil des Lichts von der Substanz aufgenommen, ein Teil wird reflektiert und ein Teil geht durch die Substanz hindurch. Der Teil des Lichts, der auf das Objektiv des Lichtmikroskops trifft, enthält ebenfalls die Informationen der reflektierten und absorbierten Anteile.

Mit diesen visuellen Informationen der Substanz trifft das Licht nach dem Objektiv auf das Okular. Zuletzt treffen die Lichtstrahlen Dein Auge.

Diesen Verlauf des Lichts bis hin zu Deinem Auge nennst Du Strahlengang.

Mikroskop Strahlengang

Der Strahlengang kann bei Mikroskopen modifiziert werden. Dabei werden Sammellinsen mit unterschiedlichen Vergrößerungen benutzt. Grundsätzlich sieht der Strahlengang aber immer gleich aus.

Beide Linsen verbindet die sogenannte optische Ache. Diese verläuft durch die Mittelpunkte der beiden Sammellinsen. Das Objekt \(G\) steht am Anfang des Strahlengangs. Es von weiter links beleuchtet.

Die Lichtstrahlen treffen nach dem Objekt auf das Objektiv \(L_1\). Eine Linse kannst Du auch mit der sogenannten Linsenebene zusammenfassen. Diese wird in der Regel als senkrechte, gestrichelte Linie, die durch den Mittelpunkt einer Linse geht, eingezeichnet. Normalerweise werden Lichtstrahlen beim Eintritt und Austritt in und aus einem neuen Medium gebrochen. Zur Vereinfachung werden an der Linsenebene die eintreffenden Lichtstrahlen gebrochen.

Beim Mikroskopieren treffen nicht alle Lichtstrahlen auf dein Auge. Deswegen werden die Lichtstrahlen üblicher weise mit den beiden Brennpunkten \(F_1\) und \(F_1'\) des Objektivs \(L_1\) eingegrenzt.

Die obere Grenze verläuft parallel zur optischen Achse. Diese Lichtstrahlen werden in Richtung Brennpunkt \(F_1\) der Linse gebrochen und schneiden diesen auf der optischen Achse.

Die untere Grenze verläuft durch den Brennpunkt \(F_1'\) bevor sie auf das Objektiv trifft. Die Lichtstrahlen, die durch den Mittelpunkt des Objektivs verlaufen, werden nicht gebrochen.

Abb. 3 – Strahlengang eines Mikroskops.

Nach dem Objektiv treffen sich alle Lichtstrahlen in einem Punkt wieder. Hier entsteht das auf den Kopf gedrehte Zwischenbild \(B_Z\). Das Zwischenbild ist ein bereits vergrößertes Bild, das Du auch reelles Bild nennst. Der Name kommt daher, dass es auf einen Schirm wie eine Leinwand projiziert werden könnte. Das Zwischenbild entsteht auf der Höhe des Brennpunkts \(F_2\) vom Okular.

Dementsprechend treffen die Lichtstrahlen als Nächstes auf das Okular \(L_2\). Hier werden sie in Richtung Auge des Betrachters gebrochen. Die Lichtstrahlen gehen aus dem Okular parallel in Dein Auge. Um die Abbildung für Dich scharf sichtbar zu machen, gehen die Lichtstrahlen parallel aus dem Okular in Dein Auge.

Dadurch, dass das Zwischenbild \(B_Z\) in der Brennebene \(F_2\) entsteht, kannst Du nun ein erneut vergrößertes Bild \(B\) in einer scheinbar großen Entfernung beobachten. Dieses Bild kann jetzt nicht mehr auf einem Schirm abgebildet werden. Deswegen nennst Du es auch virtuelles Bild im Unendlichen.

Die Vergrößerungen der Bilder durch die Linsen in einem Mikroskop werden multiplikativ vergrößert.

Den Abstand der Brennpunkte \(F_1\) und \(F_2\) nennst Du auch Tubuslänge.

Tubuslänge Mikroskop

Im Tubus bewegt sich der Lichtstrahl vom Objektiv zum Okular. Die Tubuslänge hat dabei ebenfalls einen Einfluss auf die Vergrößerung.

Für die mechanische Tubuslänge eines Mikroskops wurde zunächst eine Norm vereinbart. Diese beträgt 160 mm. Mit der Zeit hat sich jedoch eine variable Tubuslänge durchgesetzt. Ein solches System nennst Du Unendlich-Tubussystem. In diesem System wird das vergrößerte Bild, wie zuvor beschreiben, scheinbar im Unendlichen angezeigt.

Wie sieht die Berechnung nach dieser Formel aus?

Mit wenigen Gegenständen und der Hilfe eines Smartphones kannst Du Dir auch ein eigenes Taschenmikroskop zusammenbasteln.

Einfaches Mikroskop bauen

Ein solches Taschenmikroskop ist eine einfachere Version des vorgestellten Lichtmikroskops. Dennoch ist die Funktionsweise dieselbe.

Ein selbst gebautes Mikroskop besteht im Grunde aus vier Komponenten. Du benötigst eine kleine Linse, etwas Klebeband, eine Büroklammer und das Smartphone.

Abb. 4 – Selbstgebautes Mikroskop.

Zuerst klappst Du die Büroklammer so auf, dass ein S entsteht. Anschließend befestigst Du die Linse in der größeren S-Schleife der Büroklammer. Danach legst Du dieses Konstrukt mit der Linse auf die Kamera des Smartphones. Zuletzt befestigst Du das Ganze am unteren Ende, also der kleineren S-Schleife, der Büroklammer mit etwas Klebeband. Nun kannst Du mit der Kamera des Smartphones kleine Gegenstände vergrößert beobachten.

Wenn die Linse direkt auf der Kamera liegt, wie in dieser Bauanleitung, dann bekommst Du die kleinstmögliche Vergrößerung dieses Mikroskops. Das liegt daran, dass die Tubuslänge zwischen Linse und Kamera minimal ist.

Wenn Du also die Möglichkeit hast etwas Abstand zwischen den Linsen einzubauen, bekommst Du eine stärkere Vergrößerung. Das könnte etwa ein Stück Holz sein, welches Du mit doppelseitigem Klebeband zuerst an dein Smartphone klebst. Die Büroklammer mit der Linse befestigst Du dann an dem Stück Holz. Achte weiterhin darauf, dass beide Linsen übereinander liegen.