יותר הגדלה, לא יותר פרטים
גרדו בעדינות את פנים הלחי במקלון צמר גפן, מרחו את מה שעלה על זכוכית נושא, הוסיפו טיפת צבע והסתכלו במיקרוסקופ של בית הספר. בהגדלה של פי 400 רואים תאי עור שטוחים ורב־צלעיים, ובכל אחד גרעין כהה, ועליהם פזורים כתמים זעירים: חיידקים מהפה. עברו לעדשה החזקה ביותר, פי 1,000, והכתמים הופכים למקלונים ולכדוריות זעירים. על רבים מהחיידקים האלה יושבים נגיפים שתוקפים אותם, אבל שום מיקרוסקופ אור לא יראה לכם אף אחד מהם, כמה שלא יגדיל.
הסיבה היא אותה סיבה שבגללה אי אפשר לחדד תמונה מטושטשת בטלפון. פשקו שתי אצבעות והתמונה גדלה, אבל מנקודה מסוימת רואים רק כתמים גדולים יותר. למיקרוסקופ יש שני תפקידים: להגדיל דברים הוא התפקיד הקל, ולהפריד בין פרטים עדינים הוא התפקיד הקשה. התפקיד השני נקרא כושר הפרדה, והאור עצמו הוא שקובע אותו.
שתי עדשות, אחת אחרי השנייה
מיקרוסקופ אור מגדיל בשני שלבים. העצמית, העדשה שממש מעל הדוגמה, אוספת ממנה אור ויוצרת בתוך הצינור דמות ממשית, מוגדלת והפוכה, גדולה פי 4, 10, 40 או 100 מהדוגמה. העינית פועלת אז כזכוכית מגדלת על הדמות הזאת ומגדילה אותה פי 10 נוספים, כך שעצמית של פי 40 נותנת הגדלה כוללת של פי 400. מתחת לבמה, עדשת המעבה ממקדת את האור של הנורה לכתם בהיר על הדוגמה. תוף מסתובב מחזיק כמה עצמיות, והחזקה מכולן עובדת עם טיפת שמן בינה לבין הזכוכית. איך עדשה יוצרת דמות מוסבר בערך עדשות; טלסקופ משתמש באותה עצמית ובאותה עינית בשביל דברים רחוקים במקום קרובים.
נסו: בחרו מסלולי האלומות תחת מעקב אחר האלומות. עקבו אחרי האור מהנורה למעלה, דרך המעבה והדוגמה, אל הדמות המוגדלת וההפוכה שהעצמית יוצרת בתוך הצינור, ומשם החוצה דרך העינית. שנו את הגדלה (חזקות של עשר), והתוף מסובב את העצמית הבאה למקומה.
למה האור נגמר
אור הוא גל, וגל שנדחק ליד משהו זעיר מתפשט לצדדים, כפי שמראה הערך עקיפה. העצמית קולטת רק חרוט מתוך האור המתפשט הזה, ולכן היא אף פעם לא יכולה לבנות מחדש נקודה בדוגמה כנקודה. כל נקודה הופכת לעיגול קטן ומטושטש, ושני פרטים שקרובים זה לזה יותר מבערך רוחב העיגול מתמזגים לאחד. בשנת 1873 הראה ארנסט אבה, שעבד עם קרל צייס על תכנון מיקרוסקופים טובים יותר, שהגבול הזה תלוי רק בשני דברים: אורך הגל של האור, ועד כמה רחב החרוט שהעצמית יכולה לאסוף, מה שנקרא המפתח הנומרי שלה. בגרסה של לורד ריילי לכלל הזה, הפרט הקטן ביותר הוא כפול אורך הגל חלקי המפתח הנומרי.
שום עדשה לא יכולה לאסוף חרוט רחב יותר מחצי כדור, ושמן בין העדשה לזכוכית מעלה את המפתח הנומרי לכל היותר לבערך , ולכן הגבול נמצא בסביבות חצי אורך גל. בעצמית השמן של שבמודל, זה בערך 200 ננומטר באור סגול ו־270 באור ירוק. חיידק, שאורכו בערך 2,000 ננומטר, נמצא הרבה מעל הגבול. לנגיף שתוקף חיידקים יש ראש ברוחב של בערך 100 ננומטר, וריבוזום קטן ממנו פי ארבעה. הם מתחת לטשטוש, ושום הגדלה לא תחזיר אותם. הגדלה מעבר לבערך פי 1,000 מהמפתח הנומרי, בערך פי 1,250 בעצמיות הטובות ביותר, נקראת הגדלה ריקה: התמונה גדלה, אבל שום דבר חדש לא מופיע.
נסו: קבעו את הגדלה (חזקות של עשר) על פי 10,000. התמונה של האלקטרונים מראה את המעטפת של החיידק, את הגרגרים שבתוכו ואת הנגיפים שעומדים עליו; התמונה של האור היא כתם רך. שנו את אורך הגל של האור מ־700 nm, אדום, ל־400 nm, סגול: התמונה של האור מתחדדת קצת, אבל אף פעם לא מספיק.
גם לאלקטרונים יש אורך גל
בשנת 1924 הציע לואי דה ברויי שאלקטרונים, כמו האור, נעים כגלים, עם אורך גל שמתקצר ככל שהם מואצים (הערך דואליות גל–חלקיק מראה אותם יוצרים פסי התאבכות). לאלקטרון שהואץ במתח של 100,000 וולט יש אורך גל של בערך ננומטר, קצר בערך פי 150,000 מאור ירוק. בשנת 1931 בנו ארנסט רוסקה ומקס קנול בברלין את מיקרוסקופ האלקטרונים הראשון, ובתוך שנתיים המכשיר של רוסקה עקף את מיקרוסקופ האור. רוסקה חלק עליו את פרס נובל לפיזיקה לשנת 1986, ובשנת 1939 נגיף הפסיפס של הטבק היה לאחד הנגיפים הראשונים שמישהו ראה אי פעם.
זכוכית הייתה עוצרת את האלקטרונים, ולכן מיקרוסקופ אלקטרונים ממקד אותם בעדשות מגנטיות: סלילים של תיל נחושת בתוך מעטפות ברזל. שדה מגנטי דוחף הצידה אלקטרון בתנועה, והשדה של סליל מחזיר אל המרכז אלקטרונים שעוברים מחוץ למרכז, בדיוק כמו שעדשת זכוכית שוברת אור. סלילי המעבה מעצבים את האלומה על הדוגמה, סליל עצמית יוצר את הדמות המוגדלת הראשונה, וסלילים נוספים מגדילים אותה שוב על מסך זרחני שזוהר במקום שבו אלקטרונים פוגעים, או על מצלמה. כל העמוד שומר על ריק, כי אוויר היה מפזר את האלומה.
נסו: במצב מסלולי האלומות, עקבו אחרי האלקטרונים מהתותח שבראש העמוד דרך הסלילים. שני המיקרוסקופים עושים אותה עבודה: עדשה אחת יוצרת דמות מוגדלת, והעדשה הבאה מגדילה את הדמות הזאת שוב.
המחיר של לראות באלקטרונים
עדשות מגנטיות רחוקות מלהיות מושלמות. כדי לשמור על הטשטוש שלהן קטן, האלומה חייבת להישאר בתוך חרוט צר מאוד, ולכן מיקרוסקופ אלקטרונים מפריד לא אלפית ננומטר, כפי שאורך הגל לבדו היה מאפשר, אלא בערך 0.1 עד 0.2 ננומטר, בערך הגודל של אטום. זה עדיין עדין פי אלף מהאור.
הדוגמה משלמת על זה. אלקטרונים בקושי עוברים דרך חומר, ולכן צריך לחתוך את הדוגמה לפרוסות דקות מבערך 100 ננומטר, לייבש אותה, לצבוע אותה במתכות כבדות כמו אורניום ועופרת כדי לקבל ניגודיות, ולהכניס אותה לריק: שום דבר בה לא חי. גם אין בתמונה צבע, כי לאלקטרונים אין צבע. הצבעים בתמונות מיקרוסקופ אלקטרונים שמתפרסמות נצבעים אחר כך. מיקרוסקופ אלקטרונים סורק מעביר אלומה דקה על פני הדוגמה במקום להאיר דרכה, ונותן תמונות עם תחושה מרשימה של עומק.
מיקרוסקופ האור שומר על מה שאלקטרונים לא יכולים: תאים חיים, שוחים ומתחלקים, בצבע. מאז שנות ה־2000 מיקרוסקופי פלואורסצנציה אפילו חמקו אל מתחת לגבול האור, בכך שהם מדליקים מולקולות זוהרות מעטות בכל פעם וממקמים כל אחת מהן בדיוק, עבודה שזכתה בפרס נובל לכימיה לשנת 2014.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
- קנה מידה וסביבה. מיקרוסקופ האלקטרונים מצויר קטן בהרבה מהמציאות, ושניהם מצוירים בלי מפעיל. הדוגמה מסוגננת: גרידה אמיתית מהלחי הייתה עבה מדי לאלקטרונים, ותאי העור, החיידקים והנגיפים שבה ממוקמים בשביל המבט, ולא הועתקו מתמונת מיקרוסקופ.
- הטשטוש. כל תמונה מטושטשת בכתם חלק ברוחב של גבול ריילי לאלומה שלה. בתמונה אמיתית יש טבעות חלשות סביב כל נקודה, והניגודיות שלה תלויה בכיוון של המעבה ובצבע. מיקרוסקופי אור אמיתיים נעצרים בבערך פי 1,000 עד 1,500; מעבר לזה התמונה של האור כאן מוגדלת כמו שמצלמה הייתה מגדילה אותה.
- הגבול של האלקטרונים. הוא מחושב מאורך הגל וממפתח קבוע של 10 מיליראדיאן. במכשיר אמיתי קובעים אותו הפגמים של העדשות, רעידות והנזק לדוגמה, ומתקנים לפגמי העדשות מגיעים לבערך ננומטר.
- מסלולי הקרניים מצוירים דרך עדשות דקות בודדות. לעצמית אמיתית יש רכיבי זכוכית רבים, מיקרוסקופים מודרניים מוסיפים עדשת צינור, ואלקטרונים עוברים עדשה מגנטית בתנועה ספירלית, שמסובבת את הדמות, ולא נשברים במישור אחד.
- צבע אחד של אור. האור מסונן לאורך גל יחיד; אור לבן מתנהג כמו תערובת, שהקצה הכחול שלה מפריד הכי טוב.