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Das Lichtmikroskop: Alles über Mikroskope

Mikroskop
Mikroskop

Das Mikroskop gehört zu den bahnbrechendsten Erfindungen der Menschheit. Viele fundamentale Fragen der Naturwissenschaft konnten mit Hilfe des Mikroskops geklärt werden, und viele Entwicklungen im medizinischen Bereich waren oder sind ohne Mikroskop undenkbar. Mikroskopieren kann aber auch für Laien ein spannendes Hobby sein.

Ein Lichtmikroskop ist ein Gerät, mit dem man sehr kleine Dinge und Strukturen darstellen kann. Mit Hilfe der vergrößernden optischen Wirkung von Linsen werden Strukturen sichtbar, die man mit dem normalsichtigen menschlichen Auge nicht erkennen kann. Im Vergleich zu Lupen ist das Auflösungsvermögen von Lichtmikroskopen weitaus größer. Die Nutzung eines Mikroskops wird als Mikroskopie bezeichnet, die Tätigkeitsform heißt mikroskopieren. Der Begriff leitet sich aus dem altgriechischen ab:

Mikroskopieren: Colon-Ausschnitt Mikroskopieren: Colon-Ausschnitt (Mensch)

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Geschichte des Lichtmikroskops

Lichtmikroskop von Zeiss (1879)
Lichtmikroskop von Zeiss (1879)
Foto von Dr. Timo Mappes (Bildquelle)

Die Geschichte des Lichtmikroskops ist eng an die Erforschung der Optik verknüpft. Schon in der Antike beobachten Menschen, dass sich bei einem Wassertropfen auf einem Blatt die Strukturen vergrößert zeigten. Als die Ägypter vor über 3500 Jahren die Fähigkeit gewannen, Glas herzustellen, war im Prinzip das wesentliche Element eines Mikroskops ersonnen: die Linse.

Linsen können von kugelförmig bis sehr flach beschaffen sein. Gemeinsam ist ihnen eine möglichst gleichmäßig gewölbte Oberfläche. Das Besondere an Linsen: wenn Lichtstrahlen durch sie hindurchfallen, verändern sie ihre Richtung. Die "Brechung des Lichts" führt zu einer optischen Vergrößerung. Auf Basis dieser Kenntnis entwickelten italienische Mönche im 13. Jahrhundert dann einen Lesestein aus Beryll - in einen Holzrahmen gefasst wurde daraus die Brille. (siehe auch "Erfinder der Brille")

Es dauerte jedoch bis Anfang des 17. Jahrhunderts, ehe der niederländische Brillenschleifer Zacharias Janssen das erste Lichtmikroskop konstruierte: zwei hintereinader gesetzte Linsen eröffneten einen bis dahin nie gesehenen Mikrokosmos. Leider waren die ersten Mikroskope noch sehr fehleranfällig: die Qualität der kleinen Linsen war noch nicht wirklich gut, da das mechanische Herstellungsverfahren noch sehr vom Zufall abhing.

Der Niederländer Antonis van Leeuwenhoek entwickelte daher Ende des 17. Jahhunderts eine andere Idee: sein Mikroskop hatte nur eine Linse, die aber sehr klein und fast kugelförmig war. So konnten aufgrund der hohen Brechwirkung sehr große Vergrößerungen erreichen. Es dauerte bis Mitte des 19. Jahrhunderts, ehe die zusammengesetzten Lichtmikroskope (mit zwei Linsen) die gleiche Abbildungsqualität erreichten.

Die Lichtgestalt in der Geschichte der Mikroskopie war jedoch Ernst Abbe. Der Jenaer Optiker und Mikroskop-Fabrikant Carl Zeiss beauftragte Abbe, die Wirkungsweise des Mikroskops theroretisch und wissenschaftlich zu untermauern und vor allem die optimale Beschaffenheit der Linsen zu berechnen. Ernst Abbe brauchte vier Jahre für seine Studien, und am Ende stand das, was wir heute als moderne Mikroskop bezeichnen. Ein Gerät, dass mit nur sehr geringen Darstellungsfehlern bis zu 1.500 vergrößern kann.

Das neue Lichtmikroskop (siehe Abb. am Anfang dieses Absatzes) öffnete der Wissenschaft und speiziell der Medizin vollkommen neue Wege. Robert Koch entdeckte 1882 das Tuberkulose-Virus und entwickelte ein Heilmittel. 1905 bekam er dafür den Medizin-Nobelpreis. Ohne die Forschungen und Erkenntnisse von Ernst Abbe wäre das nicht möglich gewesen.

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Aufbau eines Lichtmikroskops

Die wichtigsten Teile eine Mikroskops sind auf der folgenden Grafik übersichtlich dargestellt:

Mikroskop Aufbau
Aufbau eines Mikroskops

Kurzbeschreibung des Aufbaues eines Mikroskops: Auf dem schweren Fuß ist ein stabiles Stativ befestigt, dass die Teile des Mikroskops hält. Das Licht wird unten erzeugt - durch einen Spiegel oder eine elektrische Lichtquelle. Durch den Kondensor, einer verstellbaren Blende, fällt das Licht von unten durch eine Öffnung im Objekttisch auf den Objektträger, der das Präparat enthält. Der Objektträger wird durch die Objekthalter - zwei Metallklemmen - vor Verwackeln geschützt.

Es folgt der optische Apparat des Mikroskops: am drehbaren Revolver sind verschiedene Objektive mit unterschiedlichem Vergrößerungsfaktor befestigt. In der Regel handelt es sich um 4fache, 10fache und 40fache Vergrößerung, es gibt auch 50x und 100x Objektive. Durch einen Spiegel im Stativ gelangt das Licht in den Tubus, ehe es ins Okular fällt, durch das man dann das Präparat betrachtet.
Siehe dazu (vor allem für Lehrer und Schüler):


Mikroskop Aufbau (Bestandteile) (youTube Video)

 

Wie funktioniert ein Lichtmikroskop?

Die meisten Lichtmikroskope kann man auch als "Durchlichtmikroskop" bezeichnen, denn man betrachtet das Präparat quasi im Gegenlicht (Ausname ist die Dunkelfeld- und die Auflicht-Mikroskopie). Der Weg des Lichts (sog. Strahlengang) beginnt bei der Lichtquelle unterhalb des Objektträgers. Es durchdringt das Präparat und erzeugt mit Hilfe des Objektivs im Tubus ein sogenanntes "reelles Zwischenbild". Diese Zwischenbild wird dann mit Hilfe des Okulars, der wie eine Lupe wirkt (also ein sog. "virtuelles Zwischenbild" erzeugt), nochmals deutlich vergrößert.

Lichtmikroskop Strahlengang
Lichtmikroskop Strahlengang - Weg des Lichts im Mikroskop
Reeles Zwischenbild
Reeles Zwischenbild mit Hilfe einer Sammellinse

Welche Arten von Mikroskopen gibt es?

Es gibt verschiedene Mikroskop-Arten, die jeweils bestimmte Funktionsweisen erlauben oder für bestimmte Formen des Mikroskopierens geeignet sind.

Durchlichtmikroskop

Mikroskop
Mikroskop

Beim Durchlichtmikroskop befindet sich das Objekt zwischen der Lichtquelle und dem Objektiv. Das Objekt wird also durchleuchtet. Das funktioniert nur bei mehr oder weniger lichtdurchlässigen Präparaten. Aus dem Grund sind Mikroskop-Präparate auch meist sehr dünn geschnitten oder gestrichen.

Auflichtmikroskop

Beim Auflichtmikroskop wird das Objekt aus Richtung des Objektivs (oder durch das Objektiv) oder von der Seite beleuchtet. Das Objekt kann also undurchsichtig sein. Auflichtmikroskopie eignet sich nur bis zu 100 facher Vergrößerung. Bei inversen Auflichtmikroskpen befindet sich der Lichtgang nicht oberhalb, sondern unterhalb des Objekts. Man legt das Objekt also quasi auf das Mikroskop und mikroskopiert die Unterseite. Der Vorteil: so kann man die Oberflächenstruktur von großen und unhandlichen Stücke untersuchen.

Monokularmikroskop

Im Schul- und Freizeitbereich haben Lichtmikroskope in der Regel nur ein Okular, sie sind also Monokularmikroskope. Man betrachtet das Bild mit einem Auge, das andere ist zugekniffen oder wird abgedeckt. Im professionellen Bereich (Forschung und Wissenschaft) wird teilweise über Stunden am Mikroskop gearbeitet - dann ist ein Binokularmikroskop sehr sinnvoll.

Binokularmikroskop

Binokularmikroskop Briefmarke
Binokularmikroskop (um 1860) Briefmarke

Ein Binokularmikroskop hat zwei Okulare, so dass man das Bild mit beiden Augen betrachten kann (im Gegensatz zum herkömmlichen monokularen Lichtmikroskop). Das ist insbesonders dann praktisch, wenn man längere Zeit ins Mikroskop schauen muss. Das mikroskopische Bild wird durch einen speziellen Strahlengang für beide Augen verfügbar gemacht.

Stereo-Mikroskop

Ein Stereo-Mikroskop wird manchmal fälschlicherweise mit einem Binokularmikroskop verwechselt. Während das Binokularmikroskop mit nur einem Objektiv ein Bild erzeugt, dass dann für beide Augen verfügbar gemacht wird, arbeitet ein Stereosmikroskop mit zwei Objektiven, die das betrachtete Untersuchungsobjekt aus zwei verschiedenen Blickwinkeln darstellt. Es entsteht also tatsächlich ein räumlicher Eindruck, daher auch Stereo (Zwei-Kanal) Mikroskop. Man könnte es auch 3d-Mikroskop nennen.

Digitalmikroskop

Digitalmikroskop
Digitalmikroskop von Celestron

Beim Digitalmikroskop wird das Okular durch ein elektronisches Display ersetzt - ähnlich wie bei einem modernen Handy. Das Bild wird dann nicht mehr auf einem sehr kleinen Punkt dargestellt, so dass man es nur aus sehr kurzer Distanz anschauen kann. Vor allem für Brillenträger kann das digitale Mikroskopieren sehr praktisch sein.

Ein weiterer Vorteil der Digitalmikroskopie liegt darin, dass man das Bild ohne Probleme auf einen PC übertragen kann. Dort kann es dann größer dargestellt werden und man kann es mit Bildbearbeitungsprogrammen weiter verarbeiten. Im Bild rechts ein Digital-Mikroskop der Marke Cellestron.

Weitere Mikroskop-Arten

Lichtmikroskopische Spezialverfahren

Neben der konventionellen Lichtmikroskopie gibt es eine Vielzahl von lichtmikroskopischen Spezialverfahren, wie :

Mikroskopieren als Hobby

Das folgende Video des youTube-Nutzers Otto Hitzegrad zeigt, wie schön und interessant das Mikroskopieren auch als Hobby sein kann. Mit einem Mikroskop kann man in eine faszinierende Welt einsteigen, die real, aber dem normalen Auge doch verborgen ist.

Die Kosten für das Hobby-Mikroskopieren sind im Grunde nicht höher als bei anderen Freizeitbeschäftigungen. Natürlich muss man am anfang ein paar hundert Euro für die Grundausstattung ausgeben, aber das ist auch bei vielen anderen Hobbies so. Und der Vorteil: die Objekte bzw. Präparate findet man kostenlos überall in der Natur bzw. im täglichen Leben. Eine verstaubte Küchenecke hinter dem Herd oder die Flausen hinter dem Sofa können so spannend sein...

Licht im Lichtmikroskop

Lichtmikroskope funktionieren mit Hilfe von Licht - im Gegensatz zu Elektronenmikroskopen, bei denen mit Hilfe elektromagnetischer Wellen Oberflächen abgescannt werden. Mit einem Lichtmikroskop lassen sich zum Beispiel Zellstrukturen von Organismen untersuchen oder die Beschaffenheit eines natürlichen oder künstlichen Materials analysieren. Das folgende Photo zeigt einen Mais-Stengel im Querschnitt, ein Präparat, dass man in einer Box "Dauerpräparate zum Mikroskopieren" kaufen kann.

Mikroskopieren: Querschnitt eines Mais-Stengels
Mikroskopieren: Querschnitt eines Mais-Stengels

Hier noch das Lichtmikroskop meines Sohnes:

Mikroskop für Schüler
Einfaches Mikroskop für Schüler