Mikroskop, çıplak gözle görülemeyecek kadar küçük cisimleri görmeye ve incelemeye yarayan aygıttır. MERCEK madddesinde anlatılan basit büyüteçler bazen “basit mikroskop” olarak tanımlanır; ama mikroskop deyimini, daha büyük, daha karmaşık ve çok daha etkili bir alet olan “bileşik mikroskop” için kullanmak daha doğru olur.
Mikroskopun oluşturduğu görüntüye doğrudan yada bir ekran üzerine yansıtılılarak yada fotoğrafı çekilerek bakılabilir. Mikroskopla incelenen maddeler saydam yada saydamsız olabilir. Bileşik mikroskoplarda bakteri boyutlarındaki cisimler incelenebilir, öte yandan elektron mikroskopuyla çok küçük virüslerin ve büyük moleküllerin görülmesi olanaklıdır.
Optik Mikroskop: (tarihçe) İlk mikroskop türü 15.yy’ın ortalarından başlayarak büyüteç olarak kullanılan tek mercekli mikroskoptu. Geliştirdiği tekniklerle çok yüksek nitelikli mercekler yapmayı başaran Felemenkli doğabilimci Antonie van Leeuwenhoek(1632-1723), bunlara 2-3 mikrometre(0,002-0,003mm) çapındaki bakterileri incelemeyi başardı. O dönemde böyle tek mercekli mikroskoplar renkser sapınç(aberasyon) sorununu artıran bileşik(iki yada daha fazla mercekli) mikroskoplara yeğlenmekteydi. İlk bileşik mikroskop, 1590-1609 arasındaki dönemde Felemenk’te yapıldı; bu tür mikroskopu Hans Jansen, onun oğlu Zacharias ya da Hans Lippershey’in bulduğu kabul edilir. Bulunuşundan kısa süre sonra İtalyan ve İngiliz optikçilerin yaptıkları bileşik mikroskoplar yaygın olarak kullanılmaya başlandı; ama bu mikroskoplarda kullanılan merceklerin renkser sapıncı görüntünün renklenmesine ve bozulmasına yol açıyordu. İlk olarak teleskoplarda kullanılan ve renkser sapıncı büyük ölçüde ortadan kaldıran renksemez(akromatik) mercekler mikroskoplarda 18.yy’ın sonlarında Hollanda’da kullanılmaya başladı. Ayrılımı(farklı dalgaboylarındaki ışığın kırılma indisinin farklı olması nedeniyle değişik renklerin farklı miktarlarda kırılarak birbirlerinden ayrılması) düşük crown camından yapılmış bir dışbüke(tümsek) mercek ile ayrılımı yüksek flint camından yapılmış bir içbü---(çukur) merceğin birleştirilmesiyle oluşturulan renksemez merceklerin yapımına ilişkin ilk kurumsal çalışmayı İngiliz optikçi Joseph Jackson Lister gerçekleştirdi. (1830) mikroskop tasarımında en önemli gelişme Alman fizikçi Ernst Abbe (1840-1905) tarafından gerçekleştirildi. Abbe, yağa daldırılmış objektif tekniğini (objektif ile incelenecek cisim arasına bir yağ damlasının yerleştirilmesi yöntemi) buldu, cisim üzerinde ışığın yoğunlaştırılmasını sağlayan kondansörü geliştirdi, merceklerin ayırma gücü ve ışık toplama yeteneklerinin belirlenmesini sağlayan “sayısal açıklık” kavramını ortaya koydu ve yüksek nitelikli, sapınçsız apokromatik mercek sistemini geliştirdi. Abbe,mikroskopta ayırma gücünün optik sistemin sayısal açıklığının büyütülmesi ya da daha kısa dalgaboyu ışık kullanılmasıyla yükseltilebileceğini de belirledi. Görünür ışık kullanılarak birinci yöntemin kuramsal sınırlarına ulaştıktan sonra, ikinci yolun denenmesine geçildi, böylece morötesi ışınımdan yararlanan mikroskoplar gerçekleştirildi, ama bu tür mikroskopların yapımında önemli teknik zorluklarla karşılaşıldı.1924’de Fransız fizikçi Louis-Victor Broglie, elektron demetinin bir dalga demeti özelliği gösterdiğini ortaya koydu. Elektron demetinin dalgaboyunun ışığın dalga boyuna oranla çok daha kısa olmasından yararlanarak 1930’lu yıllarda elektron mikroskopu gerçekleştirildi. Elektron mikroskopuyla elde edilen büyütme gücü 50 binin üstündedir.
Bileşik Mikroskop: Tek bir yakınsak mercekten oluşan ve yalın mikroskop olarakta bilinen büyüteçlerle 20’den yüksek büyütme gücü elde edilmesinde merceğin sapınç özelliklerinden kaynaklanan önemli sorunlar ortaya çıkar. Günlük yaşamda kullanılan büyütme gücü düşük büyüteçlerin yanı sıra duyarlı mekanik aygır yapımcılarının gözlerine kıstırarak kullandıkları ve saatçi gözlüğü denilen büyüteçler yalın mikroskopların günümüzde yararlanılan örnekleridir. Çift dışbü--- yada düzlem dışbü--- (bir yüzü düzlemsel diğeri dışbü---) bir yakınsak mercek olan büyüteçte görüntü sanal ve düzdür. Bileşik mikroskopta temel olarak iki yakınsak mercek bulunur. Bunlardan incelenecek cisme bakan merceğe objektif(cismin merceği) , göze yakın olanada gözmerceği(oküler) denir. İncelenecek cisim üzerine ya bir içbü--- ayna yada bir ışık kaynağı ile bir yakınsak mercek sisteminden(kondasör) oluşan aydınlatma sistemi aracılığıyla odaklanmış ışık düşürülür. Objektif ile gözmerceği uygun bir mekanizma aracılığıyla birbirlerine göre ileri-geri, yada örneğin yerleştirildikleri tabla aşağı-yukarı hareket ettirilebilir ve böylece objektif ile cisim arasındaki uzaklık çok duyarlı bir biçimde ayarlanabilir.
Objektifin odak uzaklığı büyütme gücü düşük mikroskoplarda 25-75mm,orta büyütmeli mikroskoplarda 8-16mm, yüksek büyütmeli mikroskoplarda ise 2-4mm’dir. Çok küçük odak uzaklıkları yağa daldırılmış objektiflerde kullanılır. Cisim objektifin odak noktasının önüne ve odağa çok yakın olarak yerleştirilir, bu durumda objektifin arka odak düzleminin gerisinde, cisme göre ters ve büyük bir gerçek görüntü elde edilir. Bu görüntünün cisme oranla büyüklüğü, 2 ile 100 arasındadır. Bu görüntü, büyüteç olarak çalışan ve sanal görüntü oluşturan gözmerceği tarafından daha da büyütülür.
Bir mikroskopun yalnızca cismin büyütülmüş bir görüntüsünü vermesi yeterli değildir;cisme ilişkin ince ayrıntıların da görülebilmesi, bu nedenle de görüntünün keskin olması gerekir. Görüntünün keskinliğini sınırlayan ise merceğin sapınç kusurlarıdır. Bu kusurların başında faklı dalgaboyundaki ışık ışınları için(kırılma indisinin farklı olmasından dolayı ) odak noktalarının farklı olmasından kaynaklanan ve görüntünün kenarlarında renk saçakları oluşmasına neden olan renkser sapınç gelir. Renkser sapınç, yakınsak merceğe, ayrılımı daha yüksek camdan yapılmış uygun bir ıraksak merceğin eklenmesiyle giderilebilir. Mercek yüzeylerinin küresel olmasından kaynaklanan küresel sapınçta görüntünün bulanıklaşmasına neden olur. Sapınçları ortadan kaldırmak için tasarımlanan mercek sisteminin yapısı merceğin büyütmesi yükseldikçe karmaşıklaşır, dolayısıyla yapım maliyeti yükselir. Yüksek ayırma gücü elde edebilmek için düzeltilmesi gereken dört sapınç türü daha vardır:Koma(görüntü ekseninin belirli bölümlerinde görüntünün bozulması), astigmatlık, distorsiyon(görüntünün çarpılması) ve alan eğriliği. Bütün bu sapınçları belirli ölçüde düzeltmek amacıyla çeşitli mercek sistemleri tasarımlanmıştır. Bunları renksemez(akromatik), apokramatik ve yarıapokromatik(flüorit) mercekler olarak üç genel sınıfa ayırmak olanaklıdır. Fotomikroskopide büyük sakıncalar yaratan alan eğriliği kusurunu gidermek amacıyla “düz alanlı mercek” olarak adlandırılan özel mercek sistemleri geliştirilmiştir. Gözmerceği genellikle iki ayrı mercekten oluşur; bunlardan göze yakın olanı renkser sapıncı engellemek amacıyla crown-flint camlarından yapılmış mercek çifti biçimindedir. Objektifte tam olarak giderilemeyen kusurları dengelemek üzere özel olarak tasarımlanan gözmerceği ayrıca görüntüde yer belirlemeye yarayan göstergeler ya da görüntü üzerinde kafes biçiminde bir desen oluşturan çizgiler içerir.
Özel Mikroskop Türleri: Stereoskopik mikroskoplar birbirine özdeş iki mikroskoptan oluşur. Bunların eksenleri arasında yaklaşık 16 derecelik bir açı vardır, böylece iki eksenin incelenecek cisim üzerinde kesişmesi sağlanır, bu tür mikroskoplarla cismin stereoskopik bir görüntüsü elde edilir. Gözlenen cismin düz görüntüsünü elde etmek için prizma kullanılır. Tek bir objektifi bulunan ve ışık ışınlarını ikiye ayırarak iki gözmerceğine yönelten türden stereoskopik mikroskoplar da yaygın olarak kullanılır.
Ultramikroskop, koloit (asıltı) parçacıklarını incelemek amacıyla 1903’te geliştirilmiştir. Adi mikroskopla gaözlenemeyecek kadar küçük olan bu parçacıklar, güçlü bir ışık kaynağı aracılığıyla mikroskop eksenine dik doğrultuda ışıkla aydınlatılır. Parcacıkların saçılıma uğrattığı ışık karanlık zemin önünde oluşan parıltılar biçiminde gözlenir. Bu yöntemle 5-10 milimikron çapındaki parçacıkların oluşturduğu parıltıların gözlenmesi olanaklıdır.
Metalurji mikroskopları ışık geçirmeyen malzemelerin, özellikle metallerin yapısını incelemek amacıyla kullanılır. İncelenecek örnek, yüzü aşağı gelecek biçimde yerleştirilir ve alttan düşey olarak aydınlatılır. Bu tür mikroskoplar genellikle fotoğraf makinesiyle donatılmışlardır.
Mikroskopta oluşan görüntünün kontrastlığı, örneğin ışığı soğurma niteliğinden kaynaklanır; kontrastlığı artırmak için genellikle örneğin boyanması gerekir. Canlı hücrelerin ve benzer saydam cisimlerin incelenmesinde, boyamanın olanaksızlığından dolayı büyük zorlukla karşılaşılır. Faz kontrastlı mikroskoplar ve girişimli mikroskoplar örneğin herhangi bir işlemden geçirilmesine gerek kalmaksızın, kontrastın optik yöntemlerle yükseltilmesini sağlayan ve özellikle biyolojide yaygın kullanım alanı olan mikroskop türleridir.
Mikroskopun ayırma gücünü yükseltmenin bir yolu kısa dalga boylu ışık kullanmaktır. Bu amaçla gerçekleştirilen ve mor ötesi ışınımdan yararlanan mikroskoplarda incelenecek örnek mor ötesi ışınımla aydınlatılır. Bu tür mikroskopta merceklerin kuvarstan yapılmış olması gerekir. Morötesi ışınım mikroskopu adi mikroskopa oranla iki kat yüksek ayırma gücü sağlar; ama bu mikroskop türü, odaklama güçlükleri ve görüntünün yalnızca fotoğraf aracılığıyla elde edilebilmesi yüzünden yaygınlaşamamıştır. Morötesi ışınıma duyarlı televizyon kameralarının geliştirilmesiyle morötesi ışınım mikroskopu daha kullanışlı bir yapıya kavuşmuştur. Morötesi ışınımın örnekte oluşturduğu flüorışımadan yararlanan flüorışımalı mikroskoplar da özellikle biyoloji ve tıpta kullanılır.
Aynalarda renkser sapınca hiç bulunmaması, odak uzaklığının görünür ışık içinde, morötesi ve kızılötesi ışınımlar ıçin de aynı kalması yansıtıcı (mercek yerine ayna kullanan) mikroskop yapımı düşüncesini doğurmuştur. Böyle bir mikroskopta ayna kullanma zorunluluğu vardır; küresel olmayan aynaların yapımı ise oldukça zordur. Ayrıca ayna yüzeylerinin atmosfer etkisiyle bozulup kararması büyük bi sorun olmaktaydı.
Öteki mikroskop türleri arasında özellikle jeoloji ve kristalografide kullanılan ve incelenecek örneğin kutuplanmış ışıkla aydınlatıldığı kutuplayıcı mikroskop; daha çok silisyum kristallerindeki kusurların incelenmesinde ve sahte sanat ürünlerinin belirlenmesinde yararlanılan kızılötesi ışınımın mikroskopu; laser ışını ve x ışınları kullanan mikroskoplar ile çok yüksek frekanslı sesüstü dalgalardan yararlanan çok yüksek ayırma güçlü akustik mikroskoplar sayılabilir.
Elktron Mikroskopu: Fransız fizikçi Louis-Victor Broglie 1924’te, o döneme değin maddesel parçacık olarak kabul edilen elektronların ve öteki parçacıkların aynı zamanda dalga özelliği gösterdiğini ortaya koydu. Elektronların dalga yapısı 1927’de deneysel olarak hesaplandı. Parçacıkların bir dalga olarak sahip oldukları dalga boyunu veren ve Broglie’nin ortaya koyduğu eşitliğe göre, örneğin 60.000 voltla hızlandırılmış elektronların etkin dalga boyu 0,05 angströmdür, bir başka deyişle yeşil ışın dalga buyunun 100.000’de 1’ine eşittir. Bu nedenle mikroskopta ışık yerine böyle bir dalganın kullanılması durumunda ayırma gücünün çok büyük ölçüde artması beklenebilir. Elektrostatik ve magnetik alanların elektronlardan ya da başka yüklü parçacıklardan oluşan demetleri saptırabildiği ve odaklayabildiğinin 1926’da kanıtlanması üzerine ayrı bir fizik dalı olarak elektronoptiği ortaya çıktı. İlk elektron mikroskopu 1933’te gerçekleştirildi; optik mikroskoplarla elde edilebilen ayırma gücü elektron mikroskopu kullanılarak bir kaç yıl içinde aşıldı. İlk ticari elektron mikroskopunun yapımına 1935’te İngiltere’de başlandı. Bunu Almanya ve ABD izledi. Günümüzde elektron mikroskoplarıyla 3 angströmden küçük uzunluklar seçilebilmekte, böylece büyük moleküllerin doğrudan gözlenmesi olanaklı olmaktadır.
Optik Mikroskopa Göre Farklar: Elektronlar hava içinde heve molekülleri ile çarpışmalarından ötürü yol alamadıklarından, elektron demetinin geçtiği yolda havanın boşaltılmış olması gerekir. Bu nedenle canlı örnekler elektron mikroskopuyla incelenemez. Optik mikroskopta merceklerin odak uzaklıkları sabittir ve odaklama için örneğin objektife uzaklığı değiştirilir. Elektron mikroskopunda kullanılan elektrostatik ya da magnetik alan merceklerin odak uzaklıkları değişkendir ve kolaylıkla ayarlanabilir; bu nedenle mercekler arasındaki uzaklık ve örneğin objektife uzaklığı sabit tutulur. Optik teleskoplarda genellikle sanal görüntü elde edilir; elektron mikroskopunda ise görüntü gerçektir, bu nedenle flüorışın bir ekran üzerinde oluşturularak doğrudan görülür duruma getirilebilir ya da film üzerinde oluşturularak fotoğrafı elde edilebilir. Optik mikroskopta görüntü, ışığın, incelenen örnek tarafından soğurulması sonucunda oluşur; elektron mikroskopunda ise görüntüyü oluşturan, elektronların, örnekteki atomlar tarafından saçılıma uğratılmasıdır. Ağır (atom numarası yüksek) atomlar elektronları daha kolay saçılıma uğrattığından incelenen örnekte ne kadar çok ağır atom varsa görüntünün kontrastlığı da o oranda yüksek olur. Elektron mikroskopunda elektron demetini saptırma yada odaklama amacıyla kullanılan mercekler elektrostatik ya da elektromagnetik merceklerdir. En yalın elektrostatik mercek iç içe iki eşeksenli metal silindirden ya da art arda yerleştirilmiş iki metal levhadan oluşur.
Geçişli Elektron Mikroskopu: Elektron demetini incelenen örneğin içinden geçerek görüntü oluşturduğu çeşitli elektron mikroskoplarında başlıca üç bölüm bulunur: 1) Elektron demetini üreten ve örneğe odaklayan bölüm 2) Görüntüyü oluşturan bölüm 3) Görüntü izleme bölümü
Elektron demetini oluşturan bölüm elektron tabancası olarak adlandırılır. Mikroskopun elektron tabancasından ekrana ya da filme kadar tüm bölümlerinin elektronlarının serbestçe yol almalarını sağlamak üzere havası boşaltılmış bir sistem içinde bulundurulması gerekir.
Yüksek Gerilimli Mikroskoplar: Alışılagelmiş elektron mikroskoplarında elektronları hızlandıran gerilimin değeri 100 kilovolt civarındadır. Buna karşılık, 1.200.000 voltluk gerilimler kullanan mikroskoplarda yapılmıştır. Yüksek gerilim kullanmanın üstünlüklerini şöyle sıralayabiliriz: 1) Gerilim yükseldikçe, elektron hızı büyür 2) Hızlı elektronlar alın örneklerden daha çabuk geçer 3) Enerji kayıplarından kaynaklanan renkser sapınç artar 4) Örnek daha az ısınır, bozucu etkiler azalır 5) Elektron kırınım desenlerinin ayırma gücü yükselir. Yüksek hızlı elktronların yolu üzerindeki cisimlere çarpmasıyla ortaya çıkan x ışınlarının mikroskop kullananlara zarar vermemesi için de gerekli önlemlerin alınması gerekir.
Tarıyıcı Elektron Mikroskopu: Cisimlerin yüzeyini incelemek üzere geliştirilen tarıyıcı elktron mikroskopunda uygun bir saptırıcı düzenek aracılığıyla bir elktron demetinin incelenecek yüzeyi sürekli olarak taraması sağlanır. Yüzeye çarpan elektronlar yüzeyden ikincil elektronların fırlamasına yol açar. Bu ikincil elektronlar bir kırpışım kristaline (elektronların çarpmasıyla kısa süreli ani ışık parlamaları oluşturan kristal) gönderilir.kristalde ortaya çıkan parlamalar bir fotoçoğaltıcı lamba aracılığıyla yüzbinlerce kez yükseltilerek elektrik sinyaline dönüştürür. Bu elektrik sinyali bir katot ışının lambadaki (televizyon görüntü tüpü) görüntünün parlaklığını denetler. Katot ışınlı lambanın ekranını denetleyen demetin mikroskopla incelenecek yüzeyi tarayan demetle eşzamanlı tarama yapması sağlanır. Böylece lamba ekranındaki bir noktanın parlaklığı örneğin yüzünde bu noktaya karşılık gelen noktada salınan ikincil elektronların sayısıyla orantılı olur. Sonuç olarak ekranda incelenen yüzeyin yapısını gösteren bir görüntü elde edilir.
Elektron Sondalı Mikroçözümleyici: 1947’de geliştirilen elektron sondalı mikroçözümleyici örnekteki elementleri büyük bir ayırma gücü ile belirleyebilmektedir. Elektron sondali mikroçözümleyici özellikle mineraloji ve metalurjide yaygın olarak kullanılır.
Alan Etkili Mikroskop: Alan etkisiyle salım olgusundan yararlanarak çalışan bu aygıt, temel olarak, bir katot ışınlı lamba içine yerleştirilmiş çok ince bir telden oluşur. Güçlü bir elektrik alanının etkisiyle telin ucandan elektronlar fırlar; bu elktronlar lambanın flüorışın ekranına düşerek ekranda ince telin ucunu görüntüsünü oluşturur. Böyle bir aygıtta büyütme, flüorışın ekranının eğrilik yarı çapı ile telin ucunun yarı çapı arasındaki orana eşittir. Bu yöntemle yalnızca yüksek sıcaklıklara dayanıklı tungsten, platin, molibden gibi metaller incelenebilir, çünkü telin ucunda ortaya çıkan yüksek akım yoğunluğu yüzden büyük ısı açığa çıkar.
Alan etkili mikroskopun değişik bir tür de kristal yapısındaki kusurları doğrudan incelenmesine olanak sağlayan alan etkili iyon mikroskopudur.