Kính hiển vi hoạt động như thế nào?

Kính hiển vi là một dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt, làm tăng góc trông ảnh của những vật rất nhỏ, với độ bội giác lớn hơn rất nhiều so với độ bội giác của kính lúp. Như vậy, với sự trợ giúp của kính hiển vi, ta có thể quan sát được những vật hết sức nhỏ bé mà mắt thường không thể nhìn thấy được. Để làm được điều này, kính hiển vi phải gồm hai bộ phận chính là vật kính và thị kính.

• Vật kính: Là một thấu kính hội tụ có tiêu cự rất ngắn dùng để tạo ra ảnh thật lớn hơn vật cần quan sát. Bằng cách điều chỉnh kính hiển vi để lựa chọn vật kính thích hợp, người ta có thể phóng đại vật lên 5 lần, 10 lần, 20 lần hay 100 lần). Tuy nhiên, để ảnh của vật cho chất lượng rõ nét nhất cần phải lựa chọn thị kính tương ứng.

• Thị kính: Đóng vai trò là một kính lúp có tiêu cự ngắn, một lần nữa phóng đại hình ảnh thật do vật kính đem lại. Thông thường, người ta có thể thay đổi thị kính để đạt được yêu cầu về mức độ phóng đại khác nhau (gấp 5 lần, 10 lần, 20 lần hoặc hơn). Tương tự, khi lựa chọn thị kính cần chú ý đến vật kính để đạt được chất lượng ảnh tối ưu.

Ngoài ra, kính hiển vi còn có bộ phận tụ sáng, được dùng để chiếu sáng vật cần quan sát. Bộ phận này có chức năng lọc và điều chỉnh ánh sáng thích hợp để cho chất lượng ảnh tối ưu.

Các loại kính hiển vi thông dụng

Kính hiển vi hiện được sử dụng rộng rãi trong phổ biến khoa học, trong kỹ thuật công nghiệp, và trong các phòng thí nghiệm. Hiện nay, có rất nhiều loại kính hiển vi khác nhau nhưng phổ biến nhất vẫn là kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử.

Kính hiển vi quang học

Kính hiển vi quang học (Optical Microscope - OM) sử dụng ánh sáng chiếu qua vật, tạo hình ảnh của vật (lớn hơn vật thật) thông qua các thấu kính quang học (Optical lens).Ta biết rằng, ánh sáng không thể nhiễu xạ trên các vật có kích thươc quá bé, nên do đó, độ phân dải của OM bị giới hạn bởi nửa bước sóng ánh sáng khả kiến. Tất nhiên hiện nay người ta chế tạo ra rất nhiều kính hiển vi quang học hiện đại, có thể quay phim trực tiếp, chụp ảnh kỹ thuật số... nhưng giới hạn kích thước của nó là không thể khắc phục (xin đừng nhầm với kính hiển vi quang học quét trường gần có thể quan sát kích thước nhỏ hơn nhưng sử dụng nguyên lý khác).

Kính hiển vi điện tử (Electron Microscope)

Kính hiển vi điện tử, có thể hiểu đơn giản như việc thay vì dùng chùm sáng để nhìn vật thể, thì ta dùng chùm điện tử để quan sát. Kính hiển vi điện tử khi coi chùm điện tử như chùm sáng, và dùng "chùm sáng" này để "nhìn" các vật thể nhỏ. Các electron có bước sóng ngắn hơn nhiều so với ánh sáng khả kiến, nhờ đó, kính hiển vi có thể đạt được độ phóng đại lớn mà vẫn cho chất lượng ảnh rõ nét. Ta biết là với ánh sáng khả kiến, ta dùng thấu kính thủy tinh để hội tụ và tạo ảnh, vậy với sóng điện tử, ta không thể hội tụ và tạo ảnh bằng thấu kính quanh học được mà phải sử dụng thấu kính từ. Tuy nhiên, kính hiển vi điện tử có một nhược điểm đó là dòng electron phải được chiếu qua môi trường chân không. Kính hiển vi điện tử được chia làm 2 loại chính là kính hiển vi điện tử truyền qua và kính hiển vi điện tử quét. Người ta thích sử dụng kính hiển vi điện tử vì chúng cho ảnh thật, có độ tương phản cao, dễ dàng phân tích, đồng thời có nhiều các phân tích về cấu trúc, thành phần... đi kèm.

Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope - TEM)

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) sử dụng một chùm điện tử hẹp chiếu xuyên qua mẫu, và tạo ảnh của vật thể giống như tạo ảnh quang học trong kính hiển vi quang học/ Kính hiển vi quang học tạo ra ảnh thật lớn hơn vật rất nhiều lần thông qua thấu kính quang học và kính hiển vi điện tử cũng tạo ảnh theo các quy tắc khúc xạ quang học như thế, có điều là dùng thấu kính từ.

Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope - SEM)

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ra đời vào những năm 70 của thế kỷ 20 và nhanh tróng trở nên phổ biến hơn TEM do: rẻ tiền hơn nhiều, không phải xử lý mẫu phức tạp như TEM, không đòi hỏi chân không cao, không phá hủy mẫu... Và tất nhiên, chất lượng không cao bằng TEM.

SEM hoạt động trên nguyên tắc dùng một chùm điện tử hẹp chiếu quét trên bề mặt mẫu, điện tử sẽ tương tác với bề mặt mẫu đo và phát ra các bức xạ thứ cấp (điện tử thứ cấp. điện tử tán xạ ngược...) và từ việc thu các bức xạ thứ cấp này, ta sẽ thu được hình ảnh vi cấu trúc tại bề mặt mẫu. Có thể hiểu việc này một cách đơn giản (tất nhiên không hoàn toàn chính xác) là dùng đèn soi lên mặt một vật và nhìn ánh sáng phản xạ để biết tấm hinh thù ra sao.

Độ phóng đại của SEM không nằm chính ở vật kính mà nằm ở kích thước chùm điện tử và khả năng quét của chùm điện tử (chùm điện tử càng hẹp, bước quét càng bé thì độ phóng đại càng lớn). SEM hoạt động không đòi hỏi môi trường chân không quá cao (do động năng điện tử ở SEM không lớn như TEM). Do quan sát vi cấu trúc bề mặt nên SEM có thể quan sát trực tiếp mà không cần phá hủy hay xử lý mẫu (điều này đặc biệt có ý nghĩa cho việc quan sát các linh kiện, máy móc nhỏ hay mẫu sinh học...).

Kính hiển vi quét đầu dò (Scanning Probe Microscope – SPM)

SPM là tên chung của một họ kính hiển vi hoạt động theo nguyên lý mới, được các nhà vật lý thế giới phát minh gần đây, dùng để nghiên cứu đặc điểm bề mặt ở cấp độ cực nhỏ (nguyên tử). Kính hoạt động theo nguyên lý quét một mũi dò nguyên tử trên một bề mặt mẫu ở khoảng cách nguyên tử. Hình ảnh sẽ được hiển thị trên máy tính với hệ số phóng đại lớn ở dạng một chiều, hai chiều hoặc ba chiều. SPM hoạt động cực kỳ tinh vi, nó chụp được hình một con virus có kích thước khoảng 100 nanomét (1 nanomét = 1 phần tỷ mét) mà không cần dùng tới chân không. Kính SPM đã được các hãng lớn trên thế giới cung cấp, thương mại hóa từ khá lâu, nhưng với giá thành rất đắt, có khi đến hàng triệu đôla một chiếc.

Tác giả

• Ngọc Lân, Nhà Thông thái.Com.vn (Tổng hợp)