Ⅰ. 실험 목적(Purpose of experiment)
현미경에 관한 전반적인 지식 및 사용법을 습득하고 양파세포를 관찰하고 길이를 측정한다.
Ⅱ. 배경지식(Background knowledge)
1. 현미경의 종류, 구조와 기능
생물체는 매우 미세한 구조로 육안만으로 구별하는 것은 매우 곤란하므로 그 자세한 짜임새를 알기 위해서는 확대를 위한 보조기구를 사용해야 한다. 현미경은 광학렌즈를 이용하여 물체의 구조를 확대시켜 그 해상력을 증대시켜 주는 기구로써 미세구조를 밝히는 데 가장 중요한 기구이다.
1-1. 현미경의 종류
가. 광원의 위치에 따른 분류
1. 정립현미경(up-light microscope) : 일반적인 모양의 현미경이다.
2. 도립현미경(down-light microscope, inverted microscope) : 대물렌즈가 표본의 아래에 위치한다.
나. 기능에 따른 분류
1. 광학현미경(light microscope = Optic microscope) : 표본에 비추어진 빛이 대물렌즈에 의해 확대된 실상을 맺고 이것을 대안렌즈에 의해서 재 확대하는 장치로 일반적으로 현미경이라고 할 때는 이것을 가리킨다.
2. 입체현미경(stereoscopic microscope) : 두 대물렌즈의 배율이 서로 다르며 표본의 평면, 측면, 높이 등 입체적 관찰이 가능하여 고체성 물질의 세부 구조를 대략 관찰할 수 있다.
3. 형광현미경(fluorescent microscope) : 파장이 짧은 자외선(400nm 이하)을 시료에 비추면 형광을 발하는 원리를 이용하여 시료에 형광물질(형광색소)을 처리한 후 관찰하는 방법으로 병원에서 면역검사에 많이 이용되고 있다.
4. 위상차현미경(phase contrast microscope) : 배경의 빛은 차단되고 물체가 발하는 빛(발광)만을 뚜렷이 관찰 가능하다.
5. 편광현미경(polarization microscope) : 빛의 편광을 이용하여 분자구조가 상이한 분자들을 관찰 시 이용한다(ex. 암석학).(ex.암석학).
6. 해부현미경(dissecting microscope) : 상의 실체(실물)를 보여주지만 고배율 관찰에는 한계가 있다.
7. 전자현미경(electron microscope) : 전자현미경에서는 광학현미경과는 달리 유리렌즈 대신에 자기 렌즈(마그네틱( 렌즈)를 이용하고 광원은 가시광선 대신에 파장이 짧은 전자를 이용한다. 따라서 전자현미경에서는 컬러상을 관찰할 수 없고 흑백상을 관찰하게 된다.
전자의 흐름을 이용하기 때문에 높은 해상력과 배율을 가진다.
1-2. 현미경의 구조
가. 광학적 장치(optical part)
1. 대안렌즈(ocular lens) : 대물렌즈에 의하여 만들어진 상을 더욱 확대하는 작용을 한다. 현미경 대안렌즈 경통에는 2개의 렌즈가 들어있다.
눈과 가까운 렌즈는 눈렌즈, 아래쪽은 집광렌즈로서, 조리개를 통하여 렌즈의 수차를 제거함으로써 시야의 밝기를 결정한다. 보통 10배의 배율이다.
2. 대물렌즈(objective lens) : 경통의 최 하단에 있는 대물렌즈 교환기(revolver)에 결합되어 있는 렌즈로서, 물체를 1차적으로 확대시킨다. 보통 4, 10, 20, 40, 100배의 배율을 가진다.
3. 집광기(condenser) : 23개의 blue lens를 연합시킨 것으로서 재물대의 중앙의 구멍으로 광선을 모으는 장치이다.
4. 조리개(diaphragm) : 들어오는 빛의 양을 조절(해상력, 초점, 심도, contrast 조절)한다.
5. 여광판(light filter) : 광원에서 나오는 광선의 조성을 변경시킬 경우에 쓰이는 것으로 가장 간단한 것은 색이 들어 있는 유리판을 사용한다.
6. 광원(light source) : 빛을 내는 장치이다.
나. 기계적 장치(mechanical part)
1. 경각(base) : U자 또는 V자형으로 현미경 전체를 지탱하는 가장 밑 부분이다.
2. 손잡이(arm) : 경각의 뒷부분에 경각에 대하여 수직으로 서있으며 현미경의 여러 부분을 지탱하는 역할을 한다.
3. 재물대(stage) : 관찰할 표본을 올려놓는 수평판이다.
4. 경통(body tube) : 금속성 원통으로 위 끝에는 대안렌즈를, 아래 끝에는 대물렌즈를 달 수 있게 되어있다.
5. 조준 장치(focusing adjustment) : 대물렌즈와 물체 간의 거리를 조절하여 선명한 상을 얻을 수 있게 하는 장치로 조동나사와 미동나사가 있다.
(1) 조동나사(course adjustment screw) : 대략적인 초점을 맞출 때 사용한다.
(2) 미동나사(fine adjustment screw) : 정밀한 초점을 맞출 때 사용한다.
6. 대물렌즈 교환기(revolving nose-piece) : 배율이 다른 렌즈를 바꿀 필요가 있을 때 대물렌즈를 손쉽게 바꾸는 장치로 경통의 하단에 달린 것으로서, 각기 배율이 다른 대물렌즈를 여러 개 끼워 놓고 필요로 하는 렌즈가 광선과 일치하도록 돌려가며 조정한다.
1-3. 현미경의 기능
1. 해상력(분해능, resolving power) : 서로 인접한 두 점을 구별할 수 있는 렌즈의 능력, 즉 관찰하는 표본의 구조를 자세히 볼 수 있는 능력을 해상력(解像力: 분해능)이라 한다. 이것은 현미경의 성능을 좌우하는 조건의 하나이며, 주로 대물렌즈의 성능에 의하여 결정된다. 따라서 대물렌즈와 대안렌즈와의 조합에 의하여 아무리 배율을 증가시키더라도, 대물렌즈의 성능이 나쁘면 단순히 흐릿한 상이 확대될 뿐, 미세한 구조의 식별은 되지 않는다.
2. 구획력(definiting power) : 윤곽이 뚜렷한 상을 맺게 하는 능력으로 대물렌즈의 성능에 의해 결정된다.
3. 배율(magnification) : 현미경의 확대능력, 즉 총 배율(선배율)은(선배율) 대물렌즈 배율과 대안렌즈 배율의 곱으로 계산된다.
2. 세포의 길이 측정
시야의 중앙에 있는 세포의 길이를 측정할 때에는 대안마이크로미터(ocula micrometer)와 대물마이크로미터(objctive micrometer)를 사용한다.
1. 대안마이크로미터
대안마이크로미터는 작은 원형 유리판에 길이 1cm를 100100 등분하여 눈금을 새겨 넣은 것으로, 현미경의 대안렌즈(보통 10x) 경통 안에 삽입할 수 있다. 현미경에 보이는 상은 대안마이크로미터의 눈금과 겹쳐 보이게 하여, 원하는 사물의 크기(길이 x폭)를(길이x폭) 눈금의 수를 헤아려 측정할 수 있다.
대안마이크로미터의 한 눈금은 1cm를 100등분하였으므로 0.1mm이나, 대안렌즈에 의해 10배 확대되었으므로 실제로는 1mm에 해당된다. 따라서 현미경의 배율이 정확하다는 전제 하에서, 4x 대물렌즈일 경우는 1,000μm÷총배율 40배=25μm, 10x는 10μm, 40x는 2.5μm, 100x는 1μm가 된다. 그러나 현미경의 배율은 현미경마다 다를 수 있으므로, 현재 사용하고 있는 현미경에서, 측정하고자 하는 배율의 대안마이크로미터 한 눈금 길이를 미리 계산하여 크기를 측정하는 것이 가장 정확하다.
2. 대물마이크로미터
일반적으로 현미경 대물렌즈의 배율은 4x, 10x, 20x, 40x, 100x이며, 100x 렌즈에서는 해상도를 높이기 위하여 이머전오일(Immersion Oil)을 사용한다. 현재 사용하고 있는 현미경의 각 배율에서, 대안마이크로미터 한 눈금의 길이를 미리 계산하기 위해서는 대물마이크로미터를 이용해야 한다.
대물마이크로미터는 슬라이드 위에 일정한 길이와 간격으로 세밀한 눈금을 새겨 넣은 특수 받침유리이다. 전체 눈금의 길이는 보통 1mm, 1cm 또는 5cm이고, 이 길이를 1mm 단위로 정밀하게 구획한 후 재차 1mm를 100개의 눈금으로 분할하였다. 즉, 대물마이크로미터의 최소단위 눈금 하나의 길이는 10μm가 된다.
3. 세포의 크기 측정법
(1) 대안렌즈를 돌려서 대안마이크로미터와 대물마이크로미터가 평행이 되도록 맞춘다.
(2) 대물마이크로미터를 움직여서 왼쪽을 기준으로 이들 마이크로미터의 한쪽 끝을 정렬시킨다.
(3) 오른쪽 방향으로 대안과 대물마이크로미터의 눈금이 정확하게 일치하는 지점을 찾아, 이들의 눈금수를 각각 센다.
(4) 대물마이크로미터 1개의 눈금은 10μm이므로, 일치하는 지점에서의 (대물 눈금의 수 x10μm)÷(대안x10μm)÷( 눈금의 수)=(대안마이크로미터 1개 눈금의 길이)이다.) 이다.
(5) 측정하고자 하는 시료의 길이 또는 폭에 해당하는 눈금수를 헤아려 크기를 계산한다.
Ⅲ. 가설 설정(Setting up hypothesis)
1. 광학현미경(제물대이동식)은 해부현미경과 다르게 좌우가 뒤집혀 보일 것이다.
Ⅳ. 실험(Experiment)
1. 실험 재료(Materials)
1-1. 현미경의 종류, 구조와 기능
| ▶ 광학현미경 | ▶ 해부현미경 | ▶ 받침유리 | |
| ▶ 덮개유리 | ▶ 삼각플라스크 | ▶ 스포이드 | ▶ 핀셋 |
| ▶ 가위 | ▶ 신문지 | ▶ 물 | ▶ 양파표피 슬라이드 |
| ▶ 대안마이크로미터 | ▶ 대물마이크로미터 | ||
2. 실험 방법(Methods)
2-1. 해부현미경 관찰
1. 준비한 재료를 재물대 위에 올려놓는다.
2. 조동나사를 조절해 대물렌즈를 재물대에 최대한 가깝도록 이동시킨다.
3. 대물렌즈를 위로 올리면서 초점을 맞추어 재료를 관찰한다.
2-2. 세포의 길이 측정
1. 대안마이크로미터를 광학현미경의 대안렌즈 경통 내에 결합시킨다(미리 준비함).
2. 광학현미경의 재물대 위에 대물마이크로미터를 올려놓고 광원의 중앙에 위치시킨다.
3. 저배율(4x, 10x) 대물렌즈를 이용하여 초점을 맞추고 대안마이크로미터의 눈금과 대물마이크로미터의 눈금이 겹쳐지도록 서서히 광학현미경의 대안렌즈를 회전시킨다.
4. 고배율(40x)에서 대물마이크로미터의 초점을 조정한다.
5. 재물대를 움직여 대물마이크로미터 눈금과 대안마이크로미터 눈금의 어느 기준선이 수직선 상에 오도록 일치시킨다.
6. 기준선의 오른쪽으로 대물, 대안마이크로미터의 수직 눈금이 정확히 일치하는 지점을 찾는다.
7. 일치된 두 수직선 사이의 눈금수를 각각 헤아리고, (대물 눈금수 x10μm)÷(대안x10μm)÷( 눈금수)를 이용하여 대안마이크로미터 한 눈금의 길이를 계산한다.
Ⅴ. 결과(Results)
1. 신문지 관찰 사진
| 해부현미경 관찰사진 | 광학현미경 관찰사진 (40배율) |
| 광학현미경 관찰사진 (100배율) | 광학현미경 관찰사진 (400배율) |
2. 세포의 길이 측정
| 대안대물마이크로미터 관찰 대물 눈금의 수 : 5개 대안 눈금의 수 : 20개 (대안마이크로미터 1개 눈금의 길이) = (5x10μm)÷(20) = 2.5μm |
세포 1개가 차지하는 눈금의 수 : 약 37개 (세포의 크기) = 37 x 2.5μm = 92.5μm |
Ⅵ. 고찰(Discussion)
[가설① 광학현미경(재물대이동식)은 해부현미경과 다르게 좌우가 반대로 보일 것이다]
초등학교 시절부터 재물대이동식 현미경은 좌우가 반대로 보이고 경통이동식 현미경은 상하좌우가 반대로 보인다고 배웠다. 그러나 그 원리에 대해 말해주는 이는 없었다. 이번 기회를 통해 광학현미경의 원리를 파악하고 왜 좌우가 바뀌어 보이는지 설명해보려 한다.
먼저 대물렌즈에서는 상을 확대시키고 상을 상하좌우 반전시킨다. 그리고 두 번째 접안렌즈에서는 확대만 시킬 뿐 상하좌우 반전이 없다. 그림 2를 보면 대물렌즈에서의 상하좌우 반전이 어떠한 원리에서 이루어지는지 알 수 있다.
그리고 보통 우리는 거울은 좌우반전시킨다고 생각하지만, 거울의 위치에 따라 상하반전처럼 보일 수 있다. 그리고 이를 볼록렌즈와 조합하면 그림 4와 같은 상황이 된다. 따라서 결과적으로 좌우반전이 일어나는 것이다.
결론적으로 경통이동식 현미경은 따로 거울이 존재하지 않으므로 상하좌우가 모두 반전되어 보이는 것이고, 재물대이동식 현미경은 재물대와 경통사이에 거울이 존재하므로 좌우만 반전되어 보이는 것이다. 또한 직접 촬영한 사진을 통해 가설도 성공적으로 검증되었다.
Ⅶ. 인용문헌(Literature cited)
오병운, 최수영, 조성진, 류호진, 김경환, 박종석. 2018. 핵심 일반생물학 실험서 - 일반생물학 및 실험 I & II. n.p.: 바이오사이언스.
"광학현미경." (2023년 3월 14일). 네이버 지식백과 생명과학대사전. n.d. 수정, https://terms.naver.com/entry.naver?docId=430600&cid=60261&categoryId=60261.
"Re:현미경에서 상이 바뀌는 이유를 설명해 달라는데요." (2023년 3월 14일). 다음 카페. n.d. 수정, https://m.cafe.daum.net/sciteacom/2qou/46?q=D_eF5yOc-3v-s0&.
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