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Wie funktioniert ein Mikroskop?

Ein Mikroskop vergrößert sehr kleine Dinge und Strukturen. Aber wie genau funktioniert ein (Licht-) Mikroskop? Im Prinzip ist die Funktionsweise ganz einfach: Mit Hilfe von Linsen werden die Lichtstrahlen gebrochen, so dass ein optisch vergrößerte Zwischenbild (sog. "reelles Zwischenbild") entsteht. Dieses "reelle Zwischenbild" des Objektivs wird dann mit Hilfe des Okulars, das wie eine Lupe wirkt, zu einem "virtuellen Zwischenbild" vergrößert. Man spricht auch von einem "zusammengesetzten Mikroskop", da es im Prinzip zwei Vergrößerungsschritte sind. (Für eine ausführliche Erklärung siehe unten)

Anders als beim Fernrohr, bei dem die Dinge nur aufgrund der weiten Entfernung klein erscheinen, kann man mit einem Mikroskop Dinge vergrößern, die sich in kurzer Distanz vor dem Auge befinden.

Die folgende Grafik veranschaulicht die Funktionsweise eines Mikroskops, indem der Verlauf des Lichtes verfolgt wird. Man erkennt, dass es mindestens zwei Linsen durchdringt - in der Regel sind es vier, weil heutzutage sowohl Objektiv als auch Okular jeweils aus zwei Linsen bestehen. Außerdem muss man in der Regel die Augenlinse in den Prozess mit einschließen - beim Digitalmikroskop tritt allerdings eine Kamera anstelle des Auges.

Mikroskop Funktionsweise
Mikroskop Funktionsweise - Verlauf des Lichts

Das Licht wird von der Lichtquelle ausgestrahlt. Es durchdringt das Objekt, das sich auf dem Objektträger befindet, der auf den Objekttisch gespannt ist. Durch das Objektiv werden die Lichtstrahlen vergrößert. Im Tubus entsteht ein vergrößertes "reelles Zwischenbild". Dieses wird vom Okular noch einmal deutlich vergrößert.

Um die Funktionsweise eines Mikroskops genau zu verstehen, sind einige grundlegende Kenntnisse optischer Phänomene erforderlich. Im Folgenden wird eine Schritt-für-Schritt Herleitung.

Durchsichtige Körper brechen Licht

Licht bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit durch das Vakuum. Es wird jedoch von festen Stoffen (zum Beispiel Wasser oder Glas) abgebremst. In der folgenden Abbildung ist das Licht durch punktierte Linien dargestellt. In der Luft bewegt es sich schneller als im Glas.

Lichtrechung
Licht bewegt sich in Glas langsamer als in Luft und wird bei schrägem Einfall gebrochen

Wenn Licht auf eine schräge durchsichtige Fläche trifft, geht es nicht gerade hindurch, sondern wird abgelenkt. Diese Phänomen bezeichnet man als "Lichtbrechung", die Bahn der Lichtstrahlen wird also abgelenkt.

Prinzip von Linsen (Sammellinsen, Streuungslinsen)

Mit Hilfe von Linsen kann man die Lichtbrechung gezielt nutzbar machen. Es gibt im Prinzip zwei Arten von Linsen: Sammellinsen (konvex) und Streuungslinsen (konkav).

Sammellinse (konvex)
Sammellinse (konvex)

Zunächst zur Sammellinse: ihre Oberflächen sind konvex gewölbt. Lichtstrahlen. die parallel auf die Sammellinse fallen, werden durch das Glas so gebrochen, dass sie hinter der Linse in einem gemeinsamen Punkt zusammentreffen. Dieser Punkt wird auch Brennpunkt genannt, der Abstand zwischen Linse und Brennpunkt heißt Brennweite.

Genau anders herum verhält es sich bei einer Streuungslinse. Ihre Oberfläche ist konkav gewölbt. Die parallel auf die Linse fallenden Lichtstrahlen werden auseinander gelenkt. Man nennt das "gestreut". Beim Lichtmikroskop ist allerdings nur die Funktionsweise einer Sammellinse relevant.

Der Vollständigkeit halber hier noch die Funktionsweise einer Streuungslinse:

Streuungslinse (konkav)
Streuungslinse (konkav)

Mehr über den Unterschied zwischen konkav und konvex (inkl. Merkspruch).

Funktionsweise einer Lupe

Um zu verstehen, wie ein Mikroskop funktioniert, muss man zunächst über Lupen nachdenken. Eine Lupe ist eine Sammellinse, meist an einem Griff. Aber warum vergrößert eine Lupe? Des Rätsels Lösung ist ein "virtuelles Bild", das durch die Linse erzeugt wird. Dieses vergrößerte virtuelle Bild wird dann entsprechend größer auf der Netzhaut (Retina) im Auge abgebildet - man sieht den Gegenstand bzw das Objekt größer. In der folgenden Grafik erkennt man oben den normalen Blick auf ein Objekt, das relativ klein auf der Netzhaut abgebildet ist. Unten wird durch die Lupe ein virtuelles Bild erzeugt, das sich deutlich größer auf der Netzhaut abbildet.

Lupe Funktionsweise
Funktionsweise einer Lupe

Das zusammengesetzte Mikroskop

Ein Mikroskop besteht nun aus zwei Teilen: das Objektiv erzeugt im Mikroskop ein "reelles Bild", dass dann mit Hilfe des Okulars, das wie eine Lupe wirkt, weiter vergrößert wird. So entsteht ein typischer Strahlengang, der oft für die Funktionsweise des Mikroskops herangezogen wird. Die folgende Abbildung veranschaulicht den Strahlengang im Mikroskop:

Strahlengang im Mikroskop
Strahlengang im Mikroskop

Das folgende Video veranschaulicht den Prozess noch einmal:

Die folgende Briefmarke aus dem Jahr 1968 veranschaulicht noch einmal das Prinzip:

Gebrochene Lichtstrahlen (Wissenschaftlicher Mikroskopbau)
Gebrochene Lichtstrahlen (Wissenschaftlicher Mikroskopbau) Bildquelle

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