Das Auflösungsvermögen eines Mikroskopes

Allgemeines über Mikroskope (Wiederholung)

Ein Mikroskop ist eine optische Apparatur, die uns Gegenstände (ähnlich einer Lupe) vergrößert darstellt. Während eine Lupe nur 20-fach vergrößert, erzielen moderne Mikroskope eine Vergrößerung von mehreren hundert-fach.

Das Mikroskop vergrößert stärker, als eine Lupe. Dies liegt daran, dass eine Lupe nur aus einer Sammellinse besteht, während ein Mikroskop zwei Linsen enthält. Bei einem Mikroskop wird zunächst mit einer Linse ein vergrößertes Zwischenbild erzeugt. Anschließend ist noch eine weitere Linse vorhanden, diese erzeugt (ähnlich wie eine Lupe) eine noch größeren Bild auf der Netzhaut. Diese zwei Linsen werden als Objektiv und Okular bezeichnet

Das Auflösungsvermögen eines (Licht)mikroskops

Die Qualität eines Mikroskops ergibt sich nicht (nur) anhand der Vergrößerung, sondern dem sogenannten Auflösungsvermögen. Dies liegt auch daran, dass die Qualität sich nicht aus der Vergrößerung der beiden Linsen ergibt, da die beiden Linsen unterschiedliche Funktionen ausüben.

Das Auflösungsvermögen eines Mikroskops “wird charakterisiert” durch den Abstand zweier Punkte, die mit dem Mikroskop noch als zwei getrennte Punkte wahrgenommen werden können. Für den minimalen Abstand zweier Punkte gilt folgende Formel

d =  λ : (n · sin α)

Hinweis für Interessierte: Diese Formel lässt sich aus der Bestimmung der Gitterkonstante bei der Beugung von Licht an einem Gitter herleiten, wobei in diesem Fall das Beugungsmaximum hergeleitet wird. Danach gilt für den Winkel unter dem die Beugungsmaxima erster Ordnung erscheinen,  bei dem noch der Strichabstand des Gitters aufgelöst werden kann, folgender Zusammenhang (k = Gitterkonstante),

sin φ = λ : (n · k)
Link: Lichtbeugung

Den Kehrwert dieses minimalen Abstandes bezeichnet man als Auflösungsvermögen V. Daher gilt für das Auflösungsvermögen folgende Formel:

V = (n · sin α) : λ

wobei λ die Wellenlänge und n der Brechungsindex des Mediums zwischen Objekt und Objektiv ist. Allgemein schreibt man diese Formel auch als

V = A : λ

wobei A als numerische Apertur eines Mikroskops bezeichnet wird und daher auch das Auflösungsvermögen des Mikroskops bestimmt.

Ergebnis:

Ziel dieses Kapitels sollte eine kurze Anwendung der Wellenoptik sein, keine Einführung in die Mikroskopie. So gibt es beispielsweise Auflicht- und Durchlichtmikroskope, die sich in ihrem Aufbau und dem Auflösungsvermögen unterscheiden.

In diesem Kapitel sollte kurz aufgezeigt werden, wie das Auflösungsvermögen eines Mikroskops berechnet werden kann (das Auflösungsvermögen V ist groß, wenn die “Abstandskonstante k”klein ist). Wie sich aus der Formel zeigt, sollte die Wellenlänge des Lichts möglichst klein sein (kurzwelliges, sichtbares Licht), damit das Auflösungsvermögen groß ist. Darüber hinaus lässt sich aus der Formel ableiten, dass sich das Auflösungsvermögen nicht mehr mit den Methoden der geometrischen Optik, sondern der Wellenoptik berechnen lässt. Dies zeigt sich daran, dass das Auflösungsvermögen wellenlängenabhängig ist (Licht wird in diesem Fall als Welle angenommen und nicht als Teilchen wie bei der geometrischen Optik).


Das Auflösungsvermögen eines Mikroskopes – Testfragen/-aufgaben

1. Was versteht man unter dem Auflösungsvermögen eines Mikroskops?

Das Auflösungsvermögen eines Mikroskops bezeichnet die Fähigkeit, zwei nahe beieinander liegende Punkte noch getrennt voneinander zu erkennen. Je kleiner der minimale Abstand, den das Mikroskop noch auflösen kann, desto höher ist sein Auflösungsvermögen.

2. Welche Faktoren beeinflussen das Auflösungsvermögen eines Mikroskops?

Das Auflösungsvermögen eines Mikroskops wird durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts und die numerische Apertur des Objektivs beeinflusst.

3. Was ist die numerische Apertur und welchen Einfluss hat sie auf das Auflösungsvermögen?

Die numerische Apertur ist ein Maß für den Lichtsammelwinkel eines Mikroskopobjektivs. Je größer diese Apertur, desto höher ist das Auflösungsvermögen des Mikroskops.

4. Wie verändert sich das Auflösungsvermögen eines Mikroskops, wenn die Wellenlänge des Lichts verändert wird?

Das Auflösungsvermögen eines Mikroskops nimmt mit abnehmender Wellenlänge des verwendeten Lichts zu.

5. Worin unterscheidet sich das Auflösungsvermögen von Lichtmikroskopen und Elektronenmikroskopen?

Elektronenmikroskope haben aufgrund der sehr viel kleineren Wellenlänge der Elektronen ein deutlich höheres Auflösungsvermögen als Lichtmikroskope.

6. Warum kann man mit bloßem Auge keine Zellen sehen und braucht dazu ein Mikroskop?

Das Auge hat ein begrenztes Auflösungsvermögen und kann daher sehr kleine Strukturen, wie beispielsweise Zellen, nicht erkennen. Ein Mikroskop ermöglicht es, diese kleinen Strukturen sichtbar zu machen.

7. Was ist das Rayleigh-Kriterium und welche Bedeutung hat es für das Auflösungsvermögen eines optischen Mikroskops?

Das Rayleigh-Kriterium definiert den kleinsten Abstand, der von einem optischen Instrument noch aufgelöst werden kann. Es ist daher von entscheidender Bedeutung für das Auflösungsvermögen eines optischen Mikroskops.

8. Was bedeutet es, wenn man von der Mikroskopauflösung “auf Zellebene” spricht?

“Auf Zellebene” bedeutet, dass das Mikroskop in der Lage ist, einzelne Zellen oder Zellbestandteile sichtbar zu machen, d.h. ein entsprechend hohes Auflösungsvermögen hat.

9. Warum ist das Auflösungsvermögen eines Mikroskops für die biologische Forschung wichtig?

In der biologischen Forschung ist es oft notwendig, sehr kleine Strukturen, wie beispielsweise Zellen oder Zellbestandteile, zu untersuchen. Ein hochauflösendes Mikroskop ermöglicht es, diese Strukturen genau zu sehen und zu analysieren.

10. Kann sich das Auflösungsvermögen eines Mikroskops durch den Einsatz von Färbemitteln verbessern? Warum oder warum nicht?

Nein, das Auflösungsvermögen eines Mikroskops hängt von der Wellenlänge des verwendeten Lichts und der numerischen Apertur des Objektivs ab. Färbemittel können jedoch den Kontrast verbessern und damit die Bildqualität erhöhen.