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Microscopios y lupas

Microscopios y lupas

Puede que te hayas preguntado cómo funciona la pantalla en la que estás leyendo este artículo. Si miras muy de cerca con el ojo, podrás ver píxeles individuales, pero no más que eso. Por eso, para entender realmente cómo la pantalla produce los colores, tienes que mirar mucho más de cerca. Si utilizas un microscopio (como los que puedes tener en el laboratorio de ciencias de tu colegio) descubrirás que cada píxel está formado por píxeles rojos, verdes y azules más pequeños.

Los microscopios no emplean ningún tipo de magia para ampliar la imagen de un objeto; pero sí un sistema de lentes y espejos cuidadosamente diseñado. En este artículo te explicaremos con más detalle cómo son de hacerlo.

¿Qué es un microscopio óptico?

Un microscopio es un dispositivo que nos permite observar objetos que son demasiado pequeños para ser observados a simple vista. Normalmente, los microscopios amplían los objetos decenas o cientos de veces.

Existen varios tipos de microscopios, en función de cómo realicen este proceso: los microscopios ópticos, los de sonda de barrido o los electrónicos. En este artículo estudiaremos los microscopios ópticos, que funcionan mediante la manipulación de la luz.

Algunos de los principales tipos de microscopios y sus características son los siguientes:

Tipo de microscopio Descripción
Microscopios ópticos
Funcionan manipulando la luz y utilizando un sistema de lentes para crear imágenes de objetos pequeños.

Microscopios electrónicos

En lugar de luz visible, estos microscopios usan electrones para formar imágenes de los objetos. Son más potentes que los microscopios ópticos, ya que permiten observar objetos más pequeños.

Microscopios de sonda de barrido

Forman la imagen del objeto escaneando su superficie con una sonda.

Tabla 1: Tipos de microscopios según cómo logran aumentar la imagen y su funcionamiento.

Microscopios y lupas Microscopios ópticos StudySmarterFig. 1: Laboratiorio escolar con microscopios ópticos, commons.wikimedia.org

Partes de un microscopio

Más que magia, los microscopios ópticos utilizan lentes (o espejos) y las leyes de la física para ampliar las imágenes de los objetos. Veamos cuáles son las partes de un microscopio óptico y cómo funcionan.

Microscopios Partes de un microscopio StudySmarterFig. 2: Los microscopios ópticos y sus partes. commons.wikimedia.org

Si observamos la figura anterior, se puede ver que los microscopios ópticos están construidos con diferentes partes que permiten ajustar las lentes y la luz de forma que se pueda observar el objeto:

  • Ocular: Estas lentes producen la imagen final del objeto y están situadas justo antes de que la luz entre en nuestro ojo. También se denominan lentes oculares, ya que se encuentran cerca del ojo.

  • Objetivo: Forman la primera imagen real del objeto, mediante la convergencia de los rayos de luz que salen de él (como veremos adelante con más detalle). Se llaman así porque el objetivo está cerca de ellas.

  • Platina: Consiste en una plataforma móvil en la que se coloca el objeto, o la llamada muestra. La distancia entre la lente del objetivo y la platina se puede ajustar, lo que nos permite enfocar la imagen.

  • Condensador: Es una lente que ayuda a iluminar el objeto.

  • Luz: Es la parte del microscopio que genera el haz de luz que ilumina el objeto. Podemos regular la intensidad de la luz con el control de intensidad.

  • Perillas de ajuste grueso y fino: Ajustando estas ruedas, podemos mover la platina. El ajuste grueso mueve la platina más rápidamente, mientras que el ajuste de enfoque la mueve más lentamente y con mayor precisión.

Pero, ¿qué son las lentes que utilizamos en los microscopios? Echemos un vistazo.

Lentes

Una lente es un dispositivo construido con dos superficies (normalmente de vidrio), que hace converger o divergir un haz de luz, por el fenómeno de la refracción.

Este fenómeno de refracción significa que cuando la luz viaja de un medio a otro con propiedades diferentes, el haz de luz puede cambiar su dirección.

Es realmente fácil observar el fenómeno de la refracción en la vida cotidiana.

El experimento clásico para esto consiste en colocar una pajita en un vaso de agua. Al observarla, la pajita parece estar partida por la mitad. Pero es solo una percepción nuestra, debido a la refracción, ya que la luz de la paja en el agua se acerca a nuestro ojo en un ángulo diferente al de la paja fuera del agua, lo que hace que parezca que está rota —sin que realmente lo esté—.

La refracción se produce cuando la luz entra o sale de la lente, puesto que es un medio diferente al aire. Según la forma en que la luz cambie de dirección, podemos distinguir entre dos tipos diferentes de lentes:

  • Lentes convergentes (convexas): Este tipo de lentes también se denominan lentes positivas. Cuando los haces de luz proceden de un objeto situado a una distancia lejana (posición), consideramos que se acercan paralelos al eje horizontal. Si estos haces de luz paralelos atraviesan una lente convergente, todos estos rayos convergen en un determinado punto, al otro lado de la lente, llamado punto focal; de esta manera de forma una imagen real.

  • Lentes divergentes (cóncavas): Así como las lentes convexas se denominan positivas, estas lentes se denominan lentes negativas. En este caso, cuando los rayos de luz se acercan paralelos al eje horizontal, los haces de luz no convergen al otro lado de la lente, sino que se extienden (divergen) hasta el infinito. El punto focal de la lente cóncava se encuentra donde convergen los rayos divergentes, si se extienden hacia atrás hasta delante de la lente. Allí se forma una imagen virtual, ya que los rayos de luz refractados no convergen realmente.

Microscopios Lentes convergentes y divergentes StudySmarterFig. 3: Diagramas de rayos de la luz refractada en una lente (a) convergente (convexa) y (b) divergente (cóncava). La lente convexa forma una imagen real, ya que los rayos convergen, mientras que la lente cóncava forma una imagen virtual, ya que sólo convergen las extensiones de los rayos. Adaptado de una imagen de: Kvr.lohith CC BY-SA 4.0

Podemos distinguir diferentes tipos de lentes convergentes, en función de la forma de las superficies: biconvexas, plano-convexas, convexo-cóncavas, bicóncavas, etc. Lo mismo ocurre con las lentes divergentes, que tienen diferentes tipos, como: plano-cóncavas, bicóncavas o convexo-cóncavas.

Microscopios Tipos de lentes StudySmarterFig. 4: Podemos distinguir los diferentes tipos de lentes por su forma. La geometría de la lente modificará cómo se refractará la luz. Adaptado de la imagen de commonsWikimedia.org CC BY-SA 4.0.

Diagrama de rayos de un microscopio

Ahora entendemos el interior de un microscopio, pero ¿qué ocurre con la luz dentro de uno para ampliar una imagen? Observemos el diagrama de rayos de un microscopio, que indica la trayectoria de los haces de luz y donde se forman las imágenes, junto con algunas otras características de los aparatos.

Microscopios Diagrama de rayos StudySmarterFig. 5: Diagrama de rayos de un microscopio, zygia.com

El diagrama de rayos de la imagen representa un microscopio compuesto con dos lentes convergentes. Este tipo de microscopios son los más comunes que encontrarás en un laboratorio escolar. Hay varias características que podemos identificar en el diagrama:

  • En la parte izquierda del diagrama está el objetivo, que es una lente convergente. Está situado a una distancia \(B\) y tiene una altura de \(A\). También podemos ver que se ubica más allá del punto focal de la lente \(F_0\).

  • La primera imagen es real y se forma en la posición \(B'\), con una altura inversa de \(A'\). La posición de esta imagen real tiene que coincidir con el punto focal de la segunda lente \(F_e\), de lo contrario la imagen se verá borrosa. En el caso de los microscopios compuestos, solemos hacerlos coincidir manualmente moviendo la platina con las perillas de ajuste.

  • La distancia del objetivo a la imagen real se denomina longitud del tubo \(L\). En los microscopios típicos (usualmente) esta longitud es de alrededor de \(L=160\,\,\mathrm{mm}\), .

  • Finalmente, los rayos de luz salen de esta imagen real y atraviesan el segundo objetivo convergente, llamado ocular, o lente ocular.

Para ayudarnos a entender cómo se produce realmente el recorrido de la luz que se muestra en el diagrama de rayos, vamos a imaginarlo paso a paso:

  1. Los rayos de luz salen de un objeto pequeño. Como el objeto está cerca del objetivo, los rayos de luz son divergentes al acercarse a la lente.

  2. Cuando los rayos de luz atraviesan el objetivo, se refractan y convergen en un punto determinado, con una distancia de la longitud del tubo del objetivo. Estos rayos forman una imagen real invertida, que debe coincidir con la posición del punto focal del segundo objetivo.

  3. Los rayos luminosos salen de la imagen real invertida y pasan por el ocular. Como la imagen se encuentra en la misma posición que el punto focal de la lente del ocular, los rayos de luz se refractan para volverse paralelos entre sí.

  4. Finalmente, los rayos de luz llegan paralelos al ojo, que actúa como lente final. Desde allí, convergen en nuestra retina y forman la imagen que vemos.

Los microscopios que utilizamos ahora suelen tener un prisma que nos permite trabajar más cómodamente, ya que podemos cambiar el ángulo en el que estamos observando. Funciona como un espejo, porque la luz se refleja al encontrarse con él. Sin embargo, este prisma no es importante para entender el diagrama de rayos.

Lupas de aumento

Las lupas funcionan esencialmente como un microscopio (de hecho, suelen llamarse microscopios simples); pero, en este caso, únicamente están formadas por una sola lente. Por tanto, la lupa es una estructura formada por una única lente convergente, generalmente biconvexa.

Quien lleva la lupa y se encarga de moverla modifica cómo se observa la imagen, pues lo que realmente está haciendo es aumentar el ángulo, para que la imagen se vea ampliada. Cuando enfocamos el objeto, situamos la lupa a la distancia focal y colocamos el ojo detrás de la lente, se forma una imagen virtual. Esta —al llegar al ojo— se corrige, genera la imagen que nosotros vemos y consigue un aumento angular del objetivo. También, podríamos conseguir el máximo aumento angular de la imagen, pegando el ojo a la lupa; pero, en este caso, la imagen no estaría enfocada y no la apreciaríamos de manera nítida.

Si haces una búsqueda rápida por cualquier tienda, verás que existen muchas lupas con diferentes aumentos. Generalmente, el aumento es proporcional al diámetro de la lente, por lo que resultan más potentes aquellas con mayor diámetro.

Aumento angular

Una vez que entendemos lo que ocurre con los rayos de luz al observar un objeto en el microscopio o en una lupa, es el momento de definir su propiedad más relevante: el aumento.

El aumento es el número que indica la ampliación del tamaño aparente de un objeto. Este número puede ser menor que uno, en cuyo caso estaríamos hablando de una reducción del tamaño.

Para calcular el aumento de un microscopio o de una lupa, utilizamos la siguiente expresión: \[\text{Aumento}=\dfrac{\text{Altura imagen}}{\text{Altura objeto}}\]

Donde,

  • \(\text{Altura imagen}\) es la altura de la imagen obtenida.

  • \(\text{Altura objeto}\) es la altura original del objeto.

Esta relación nos dará el aumento del microscopio, que no tiene unidades.

Cuando hablamos de aumento angular, estamos hablando esencialmente de lo mismo; solo que en este caso el ratio se hace entre el ángulo visual del objeto con el microscopio o la lupa y el mismo ángulo, pero sin estos.

Ejemplos de microscopios y lupas

Hoy en día, los microscopios se utilizan en multitud de campos y niveles diferentes. Pero, en el momento de su invención, eran aparatos mucho más sencillos, que permitieron realizar grandes descubrimientos. Estos primeros modelos de microscopios sirvieron de base para empezar a desarrollar otros más potentes. Esto condujo a algunos descubrimientos importantes; como la observación de la primera célula, por parte del físico inglés Robert Hooke, al estudiar un trozo de corcho.

Gracias a los años de desarrollo, en la actualidad podemos observar estructuras mucho más pequeñas que las células; pero esto también requiere el uso de microscopios más potentes, como los que mencionamos al principio de este artículo. Entre ellos se encuentran los microscopios de barrido en túnel (STM), basados en el túnel cuántico, o el microscopio electrónico de barrido (SEM), que utiliza un haz de electrones. Estos tipos de microscopios son lo suficientemente potentes como para permitirnos reproducir la superficie de estructuras atómicas o nanopartículas.

Microscopios y lupas - Puntos clave

  • Un microscopio es un dispositivo que permite observar objetos que son demasiado pequeños para ser observados a simple vista. Los que funcionan con lentes y espejos son microscopios ópticos.
  • Los microscopios ópticos o de luz tienen algunas partes clave, como las lentes oculares, el objetivo, la platina, el condensador y los ajustes gruesos y finos.
  • Las lentes son dispositivos construidos con dos superficies, normalmente de vidrio, donde se refractan los rayos de luz.
  • La refracción es el cambio de dirección de un rayo de luz, al pasar de un medio a otro.
  • En las lentes convergentes los rayos de luz se refractan para converger en un punto. Si estos rayos se acercan de manera paralela al eje horizontal, convergen en un punto focal determinado.
  • Las lentes divergentes hacen que los rayos de luz sean divergentes. El punto focal se encuentra donde las prolongaciones de los rayos divergentes convergen delante de la lente.
  • En un microscopio compuesto con dos lentes, tenemos: la primera lente, denominada objetivo, que está cerca del objeto; y la segunda, denominada lente ocular. Ambas son lentes convexas o convergentes.
  • El aumento de un microscopio es el número que indica la ampliación de la imagen; sigue la siguiente fórmula: \[\text{Aumento}=\dfrac{\text{Altura imagen}}{\text{Altura objeto}}\]

Preguntas frecuentes sobre Microscopios y lupas

Se pueden identificar varias partes del microscopio: el ocular, el objetivo, la platina, el condensador, la luz y las perillas de ajuste grueso y fino.

Una lupa es considerada un microscopio simple. Entendemos como microscopio un sistema formado por varias lentes. Además, tiene una estructura con diversas partes; por ejemplo, la platina, objetivos con aumentos distintos, etc. 

En cambio, la lupa está formada por una única lente convergente, generalmente una lente biconvexa.

Son dispositivos que nos permite observar objetos que son demasiado pequeños para ser identificados a simple vista. Normalmente, pueden llegar a ampliar la imagen de los objetos decenas o hasta cientos de veces.  

Las lupas utilizan lentes convergentes, generalmente biconvexas.

El aumento es el número que indica la ampliación del tamaño aparente de un objeto; hace un ratio entre el tamaño aparente y el real del objeto. Cuando hablamos de aumento angular, nos referimos esencialmente a lo mismo; solo que en este caso el ratio se hace entre el ángulo visual del objeto con el microscopio o la lupa; y el mismo ángulo, pero sin estos. 

Cuestionario final de Microscopios y lupas

Pregunta

La perilla de ajuste grueso de un microscopio óptico nos permite mover la platina de forma más lenta y precisa que el ajuste fino. ¿Verdadero o falso? 

Mostrar respuesta

Answer

Falso. El ajuste grueso mueve la platina más rápido. 

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Pregunta

¿Cómo podemos calcular el aumento de un objeto con un microscopio o una lupa? 

Mostrar respuesta

Answer

\[\text{Aumento}=\dfrac{\text{Altura imagen}}{\text{Altura objeto}}\]

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Pregunta

¿Qué es el aumento?

Mostrar respuesta

Answer

El aumento es el número que indica la ampliación del tamaño aparente de un objeto.

Show question

Pregunta

¿Cómo se forma la imagen después de pasar por la lente del objetivo (en un microscopio compuesto)? 

Mostrar respuesta

Answer

Real e invertida.

Show question

Pregunta

¿Cómo funcionan los microscopios ópticos?

Mostrar respuesta

Answer

Manipulando la luz.

Show question

Pregunta

¿Qué nombre recibe la lente más cerca del objeto original?

Mostrar respuesta

Answer

No tiene ningún nombre en particular.

Show question

Pregunta

¿Cuántas y qué tipo de lentes bastan para tener un microscopio compuesto?

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Answer

Dos, ambas convergentes.

Show question

Pregunta

¿Qué se conoce como longitud del tubo?

Mostrar respuesta

Answer

La distancia de la lente del objetivo a la imagen real.

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Pregunta

¿Qué es la platina de un microscopio óptico? 

Mostrar respuesta

Answer

Es una lente que ayuda a iluminar el objeto. 

Show question

Pregunta

________ son las lentes en las que los rayos de luz refractados divergen hacia el infinito.

Mostrar respuesta

Answer

Divergentes.

Show question

Pregunta

¿Cuántos puntos focales tiene un objetivo? 

Mostrar respuesta

Answer

Dos: uno a cada lado.

Show question

Pregunta

La refracción es el cambio de dirección de un haz de luz cuando pasa de un medio a otro. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

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Pregunta

¿Cómo se puede definir una lente? 

Mostrar respuesta

Answer

Una lente es un dispositivo construido con dos superficies, normalmente de cristal, que hace converger o desviar un haz de luz por el fenómeno de la refracción.

Show question

Pregunta

¿Qué es un microscopio? 

Mostrar respuesta

Answer

Un microscopio es un dispositivo que nos permite observar objetos que son demasiado pequeños para ser observados a simple vista. 

Show question

Pregunta

¿Qué tipo de lente tiene una lupa?

Mostrar respuesta

Answer

Convergente, como una biconvexa.

Show question

Pregunta

Generalmente, el aumento en una lupa es inversamente proporcional a su tamaño. ¿Verdadero o falso? 

Mostrar respuesta

Answer

Falso, es proporcional a su tamaño. 

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