MIKROSKOPOWE.pdf

LABORATORIUM METOD I TECHNIK BADAŃ MATERIAŁÓW

Ćwiczenie nr 4: Badania mikroskopowe.

BADANIA MIKROSKOPOWE

Cel ćwiczenia.

− Zapoznanie się z budową i obsługą mikroskopów metalograficznych

− Zapoznanie się z podstawowymi technikami mikroskopii metalograficznej świetlnej

− Zapoznanie się z wyposażeniem do rejestracji obrazów mikroskopowych

− Nabycie umiejętności obserwacji mikroskopowej i oceny elementów strukturalnych na

zgładach nietrawionych i trawionych różnymi odczynnikami.

Wprowadzenie

Badania mikroskopowe polegają na pobraniu próbki z badanego wyrobu, wyszlifowaniu i

wypolerowaniu wybranej powierzchni tj. wykonaniu tzw. zgładu metalograficznego, który po

ewentualnym wytrawieniu poddaje się obserwacji mikroskopowej.

Celem badań metalograficznych na mikroskopie świetlnym jest ujawnienie struktury metali i

ich stopów oraz wad niewidocznych okiem nieuzbrojonym. Pozwalają one na rozróżnienie

składników strukturalnych i określenie ich morfologii, ilości, wymiarów i rozmieszczenia.

Schemat przedstawia zasadę działania mikroskopu świetlnego

Przedmiot oglądany AB jest powiększony przez obiektyw. Powstaje rzeczywisty obraz A'B',

który w stosunku do okularu jest usytuowany w odległości < f ok . Wobec tego, patrząc przez

okular widzimy pozorny i powiększony obraz A"B".

Powiększenie, które uzyskujemy w układzie obiektyw - okular możemy wyliczyć z poniższego

wzoru:

gdzie :

M- powiększenie mikroskopu

M ob - powiększenie obiektywu

M oc - powiększenie okularu

L -

długość tubusa

f ob -

ogniskowa obiektywu

f oc -

ogniskowa okularów

stała = 250 mm - odległość dobrego widzenia dla oka ludzkiego.

LABORATORIUM METOD I TECHNIK BADAŃ MATERIAŁÓW

Ćwiczenie nr 4: Badania mikroskopowe.

Zakres powiększeń uzyskiwanych w mikroskopie zależy od zastosowanych obiektywów i okularów,

i ma ograniczenia związane z prawami fizyki. Ograniczeniem jest zakres długości fal światła

widzialnego.

Zależność rozdzielczości optycznej od długości fal światła widzialnego przedstawia wzór:

d sinα= n λ

gdzie:

d - najmniejsza odległość między dwoma punktami możliwa do ujrzenia w mikroskopie,

α - kąt aperturowy obiektywu,

n - współczynnik załamania światła w danym medium (dla powietrza przyjmujemy n=1),

λ - długość fali świetlne

Po przekształceniu;

d = λ / sinα

W takim wypadku rozdzielczość

∆R = 1/d =sinα / λ

Z powyższego wzoru wynika, że im krótszy zakres fal światła widzialnego tym lepsza

rozdzielczość. Ponieważ ludzkie oko dostrzega w dolnym zakresie barwy światło o długości

fali ok. 340 nm., a maksymalny kąt aperturowy α jaki możemy uzyskać wynosi około 72 stopni

od normalnej, czyli około 144 stopni dla obiektywu. Stąd łatwo możemy wyliczyć granicę

rozdzielczości, która wynosi około 4 µm dla powietrza i około 2,5 µm dla cieczy imersyjnych.

Pewne techniki obserwacji i zastosowanie mikrofotografii pozwalają na osiągnięcie

rozdzielczości uzyskiwanej na zdjęciu rzędu l µm.

Zakres zdolności rozdzielczej zależy również od apertury numerycznej. Ilustruje to wykres,

który pokazuje, że maksymalną rozdzielczość dwóch znajdujących się obok siebie punktów

można uzyskać przy aperturze numerycznej równej 1,5 (w praktyce 1,40 dla obiektywów

imersyjnych). Do uzyskania apertury numerycznej równej 1,40 konieczne jest zastosowanie

medium w postaci olejku imersyjnego, który załamuje bieg promieni świetlnych. Powietrze jako

medium pozwala w praktyce uzyskać w obiektywach suchych aperturę numeryczną równą 0,95.

Zależność zdolności rozdzielczej mikroskopu od apertury numerycznej.

Apertura numeryczna wyraża się wzorem:

A = n sin α

n - współczynnik załamania światła,

dla powietrza n = 1,0002 a dla olejku cedrowego n = 1,505

α - kąt aperturowy obiektywu,

Stąd maksymalną rozdzielczość dla światła widzialnego, czyli w mikroskopach świetlnych,

uzyskujemy przy powiększeniu rzędu 1500x.Oczywiście możemy uzyskiwać powiększenia

większe przez zastosowanie dodatkowych soczewek, ale będzie to powiększenie liniowe nie

dające lepszej rozdzielczości.

W mikroskopii świetlnej stosuje się następujące techniki obserwacji:

gdzie:

LABORATORIUM METOD I TECHNIK BADAŃ MATERIAŁÓW

Ćwiczenie nr 4: Badania mikroskopowe.

− Jasne pole - jest podstawową techniką obserwacji; polega na oświetleniu preparatu uformowaną

przez kondensor wiązką promieni świetlnych w postaci stożka i wszystkie promienie tego stożka

objęte aperturą obiektywu padają na preparat. Kontrast otrzymujemy w wyniku różnic w absorbcji i

rozpraszaniu światła przez różne elementy oświetlanego preparatu.

Bieg promieni świetlnych w mikroskopie w jasnym polu widzenia.

Technika jasnego pola stosowana jest również do obserwacji preparatów z naniesioną warstwą

interferencyjną - trawienie barwne.

l-faza "A" 2-faza "B"

Bieg promieni świetlnych w jasnym polu widzenia w próbce z

naniesioną warstwą interferencyjną

− Ciemne pole - polega na oświetleniu bocznym preparatu, uzyskanym dzięki specjalnej

konstrukcji kondensora, formującego wiązkę światła prawie równolegle do powierzchni

preparatu (wiązka światła rozproszonego). Stąd od brzegów elementów preparatu odbija

się szczątkowe oświetlenie wiązki wychodzącej z kondensora, a do obserwatora dociera

obraz jasnych elementów na ciemnym tle.

Bieg promieni świetlnych w mikroskopie w ciemnym polu widzenia.

− Kontrast fazowy - polega na zastosowaniu specjalnie dopasowanych przysłon

szczelinowych.Istnieje kilka rozwiązań mikroskopów odbiciowych z kontrastem fazowym.

Jedno z rozwiązań schematycznie przedstawiono na rysunku.Źródło światła jest

odwzorowane za pomocą kolektora na otworze przysłony aperturowej oświetlacza. Światło

LABORATORIUM METOD I TECHNIK BADAŃ MATERIAŁÓW

Ćwiczenie nr 4: Badania mikroskopowe.

wychodzące z otworu przysłony pada, po przejściu przez soczewkę na półprzeźroczyste

zwierciadło ustawione pod kątem 45° do osi optycznej mikroskopu. Promienie świetlne

odbite od zwierciadła wpadają do obiektywu i wychodzą zeń w postaci lekko zbieżnej

wiązki, tworzącej obraz otworu przysłony aperturowej poniżej obserwowanej powierzchni

przedmiotu - zbieżność wiązki świetlnej wychodzącej z obiektywu jest podyktowana tym,

aby światło bezpośrednie S b skupiało się po odbiciu od przedmiotu poza półprzeźroczystym

zwierciadłem. Takie rozwiązanie powoduje, że mamy do czynienia z dwoma rodzajami

światła: bezpośrednim S b wychodzącym jak gdyby z obrazu otworu przysłony aperturowej i

skupiającym się w punkcie Q", gdzie umieszczona jest płytka fazowa oraz ze światłem

dyfrakcyjnym S d powstającym w wyniku ugięcia i rozproszenia światła na wszelkich

powierzchniowych niejednorodnościach badanego przedmiotu. W wyniku nakładania się i

interferencji obu rodzajów światła powstaje w płaszczyźnie obrazowej obiektywu obraz

fazowo - kontrastowy powierzchni badanego przedmiotu. Obraz ten jest obserwowany za

pomocą okularu mikroskopu. Technikę kontrastu fazowego wykorzystuje się w

przypadku gdy poszczególne elementy preparatu nie różnią się właściwościami

absorbcyjnymi, a tylko współczynnikiem załamania światła bądź, grubością. Ma to miejsce

dla preparatów przeźroczystych lub wypolerowanych, obserwowanych w polu jasnym jako

gładkie lub jednolite, a w kontraście fazowym uwidaczniającym zarysu.

− Kontrast Nomarskiego - w technice Nomarskiego wykorzystuje się światło

spolaryzowane oraz specjalnej konstrukcji pryzmaty Wolstona - zmodyfikowane pryzmaty

Nicola. Schemat mikroskopu optycznego z kontrastem interferencyjnym różniczkowym -

DIC / Nomarski - przedstawiono na rysunku. Pryzmaty Wollastona - W lub N- umieszczone

są między półprzeźroczystą płytką zwierciadlaną Z oświetlacza a obiektywem Ob. Światło

przechodzi więc przez pryzmat W lub N dwukrotnie, wobec czego pryzmaty spełniają

równocześnie rolę kompensatora i elementu rozdwajającego obraz badanego obiektu B.

Polaryzator P jest ustawiony prostopadle do płaszczyzny padania światła na płytkę Z, a

analizator A równolegle. Efektem zastosowania tej metody jest uzyskanie

quasiprzestrzennych obrazów. Zastosowanie - podobnie jak w przypadku kontrastu

fazowego.

Schemat układu optycznego mikroskopu fazowo - kontrastowego do

obserwacji próbek metalograficznych w świetle odbitym.

LABORATORIUM METOD I TECHNIK BADAŃ MATERIAŁÓW

Ćwiczenie nr 4: Badania mikroskopowe.

Schemat układu optycznego mikroskopu z kontrastem interferencyjnym różniczkowym

wg Nomarskiego do obserwacji próbek metalograficznych w świetle odbitym.

− Fluorescencja - w technice tej wykorzystujemy naturalną bądź wzbudzoną za pomocą

różnego rodzaju preparatów fluorescencję. W laboratoriach przemysłowych stosujemy np. do

ujawniania szczelin, bądź obiektów pochłaniających określony preparat fluorescencyjny.

Ideowy schemat układu optycznego mikroskopu fluorescencyjnego przedstawiono na

rysunku.Jest to mikroskop odbiciowy wyposażony w intensywne źródło światła np. lampę

rtęciową wysokociśnieniową, filtr cieplny FC, filtry wzbudzające FW, filtr zaporowy FZ,

zwierciadło półprzeźroczyste ZD.Zadaniem zwierciadła jest z jednej strony skierować

światło wzbudzające przez obiektyw Ob. Na badany preparat B a równocześnie

przepuszczać światło fluorescencyjne do okularu Ok. i to w stopniu jak największym.

Znaczna część światła krótkofalowego jest pochłaniana przez preparat i przekształcona

przezeń na światło fluorescencyjne. Jest ono w całości przepuszczane przez zwierciadło

półprzeźroczyste ZD w stronę okularu mikroskopu.

Schemat układu optycznego mikroskopu fluorescencyjnego

z oświetleniem preparatu przez obiektyw.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: