Номер 5, страница 146 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

5. Почему оптический микроскоп не позволяет наблюдать молекулы и клетки?

Решение

Поставленный вопрос содержит неточность. Оптический (его также называют световым) микроскоп позволяет наблюдать клетки, но не позволяет наблюдать отдельные молекулы.

Световой микроскоп является основным инструментом для изучения клеток. Размеры большинства клеток (например, клеток человека, животных, растений) лежат в диапазоне от 10 до 100 микрометров (мкм). В оптический микроскоп можно увидеть не только сами клетки, но и их крупные составные части (органеллы), такие как ядро, клеточную стенку у растений, вакуоли.

А вот отдельные молекулы увидеть в оптический микроскоп действительно невозможно. Это связано с фундаментальным физическим ограничением, которое называется дифракционным пределом разрешения. Любой оптический прибор, использующий линзы, имеет предел разрешения — то есть, минимальный размер объекта (или расстояние между объектами), который можно различить. Этот предел обусловлен волновой природой света.

Когда световая волна проходит мимо очень маленького препятствия, она огибает его (дифрагирует). Если размер объекта сопоставим или меньше длины волны света, то волна просто "обойдет" его, и четкое изображение не сформируется. Минимальное расстояние $d$, которое можно разрешить в микроскопе, приблизительно равно половине длины волны используемого света $\lambda$: $d \approx \frac{\lambda}{2}$

Для видимого света, который используется в оптических микроскопах, длина волны $\lambda$ составляет от 400 нм (фиолетовый свет) до 700 нм (красный свет). Таким образом, предел разрешения для самого лучшего оптического микроскопа составляет около $400 \text{ нм} / 2 = 200$ нм, или 0.2 мкм. Объекты размером меньше этой величины будут выглядеть как размытые пятна или не будут видны вовсе.

Сравним это с размерами молекул. Размеры даже очень крупных макромолекул составляют единицы или десятки нанометров. Например, ширина молекулы ДНК — около 2 нм, размер молекулы белка гемоглобина — около 6.5 нм, а размер молекулы воды — всего 0.3 нм. Все эти величины в десятки и сотни раз меньше, чем предел разрешения светового микроскопа. Поэтому свет просто огибает молекулы, не позволяя их рассмотреть.

Для наблюдения объектов нанометрового масштаба, таких как молекулы и атомы, используют другие типы микроскопов, например, электронные или сканирующие зондовые, которые используют для получения изображения не свет, а пучки электронов или зонды, что позволяет достигать гораздо более высокого разрешения.

Ответ: Вопрос содержит неточность: оптический микроскоп позволяет наблюдать клетки, так как их размеры (10-100 мкм) значительно превышают его предел разрешения. Однако он не позволяет наблюдать отдельные молекулы, поскольку их размеры (порядка нанометров) намного меньше длины волны видимого света (400-700 нм). Из-за физического явления дифракции невозможно с помощью света получить четкое изображение объектов, размер которых меньше примерно половины длины волны, то есть меньше ~200 нм.