Elektron je nepředstavitelně malá částice. Nebo si snad dovedete představit "kuličku"
o hmotnosti 0,0000000000000000000000000000009 kg s nábojem -0,00000000000000000016 C?
A přesto jsou elektrony a jejich vlastnosti příčinou řady základních jevů, které mají rozsáhlé využití nejen ve vědě a technice, ale doslova všude kolem nás. Posuďte sami:
Světlo
Zrak je jedním z nejdůležitějších smyslů, který nás informuje o světě kolem. Optika - nauka o světle - patří k nejstarším odvětvím fyziky. Hlavním zdrojem světla byl kromě Slunce oheň a od konce 19. století zdroje elektrické, zejména žárovky a výbojové trubice. Dalekohledy, mikroskopy a další optické přístroje pomáhaly učencům zkoumat svět už od 17. století, ale teprve v roce 1913 se mladému dánskému fyzikovi N. Bohrovi podařilo vysvětlit, proč a jak vlastně světlo vzniká. Místem vzniku je elektronový obal atomu: zahřátím elektrony získávají energii, přecházejí na vyšší kvantové dráhy a z nich se opět vracejí na dráhy původní. Při návratu vyzařují přebytečnou energii ve formě fotonů elektromagnetického záření, tj. světla. Viditelné světlo má vlnové délky v rozsahu přibližně od 390 nm do 790 nm. Ať už světlo pochází z jakéhokoliv zdroje, příčinou jeho vzniku jsou změny energie elektronů v atomech.
Ultrafialové a infračervené záření
Záření s vlnovou délkou menší než 390 nm je pro náš zrak neviditelné, nazývá se ultrafialové a vzniká také přeskokem elektronů mezi kvantovými drahami. Toto záření k nám přichází ze Slunce a způsobuje mj. opálení naší pleti. Zdrojem ultrafialového záření jsou i výbojové trubice v soláriu, vzniká i uvnitř běžných zářivek. V ultrafialovém světle se některé látky rozzáří a toho se využívá například ke kontrole pravosti bankovek nebo poštovních známek. jejich ochranné prvky se pod ultrafialovou lampou rozzáří. Také vyprané prádlo je "zářivě bílé" díky vhodným přísadám v pracích prášcích. Infračervené záření má vlnovou délku větší než 790 nm a je pro nás neviditelné. Je to záření tepelné a vyvolává na pokožce pocit tepla. Známe je z různých infrazářičů, ale nejčastěji je asi využíváme v dálkovém ovládání televizorů a dalších spotřebičů. Ovladač vysílá impulzy infračerveného záření, na které reaguje čidlo na přístroji. Také v různých alarmech nebo automatických spínačích jsou zdroje neviditelného infračerveného záření.
Výbojové trubice
Osvětlení ulic i v té nejmenší obci je dnes samozřejmostí, moderní město po celou noc září různobarevnými reklamními trubicemi, úsporné kompaktní zářivky postupně vytlačují z našich domovů klasické žárovky. Ve všech uvedených příkladech jsou v trubici elektrickým proudem vybuzeny atomy vhodného plynu, elektrony v nich přejdou na vyšší kvantové dráhy a při návratu vyzařují energii ve formě světla. Dojde k elektrickému výboji. Barva světla závisí na druhu plynu v trubici: například neon vydává výrazné červené světlo, sodík žlutooranžové atd. Stačí tedy naplnit vhodně vytvarovanou skleněnou trubici vhodným plynem, připojit ji ke zdroji napětí a "neonová" reklama je připravena lákat zákazníky. Výbojky přeměňují elektrickou energii na světlo s mnohem vyšší účinností než klasické žárovky, jsou oproti nim podstatně účinnější.
Luminiscence
Některé látky (luminofory) jsou schopny přeměňovat energii dodanou elektronům v atomu na viditelné světlo. Luminiscence je dvojího druhu: trvá-li prakticky jen po dobu dodávání energie, jedná se o fluorescenci. Jestliže luminofor září delší dobu (sekundy až dny), hovoříme o fosforescenci. Na principu luminiscence pracují oblíbené miniaturní zdroje světla - luminiscenční diody neboli LED. Používají se jako různobarevné světelné indikátory domácí elektroniky, cyklisté o sobě na silnici dávají vědět výraznými červenými blikači s LED. Bez luminoforů by se nerozzářily ani televizní obrazovky, ani trubice zářivek. Možná máte v ložnici na stropě nalepené "svítící" hvězdičky, které potmě vydávají i několik hodin uklidňující nazelenalé světlo, fosforeskují.
Obrazovka
V obrazovce televizoru nebo monitoru vysílá rozžhavená katoda elektrony, dopadající velkou rychlostí na stínítko, pokryté vrstvičkou vhodného luminoforu. Po dopadu elektronu se jeho kinetická energie přemění na světlo, v místě dopadu vidíme na stínítku světelný bod. Vychylovacími cívkami se elektronový paprsek vychyluje tak, aby na stínítku "vykreslil" celý televizní obrázek. Barevná obrazovka má konstrukci ještě mnohem složitejší: má tři katody se třemi elektronovými paprsky pro barvu červenou, modrou a zelenou. Stínítko je tvořeno drobounkými trojicemi luminoforů, které se po dopadu elektronů rozzáří červeně, druhý modře a třetí zeleně. Televizní obraz na stínítku je tedy jen trojbarevný. Naše oko je však schopné z kombinace uvedených tří barev "vytvořit" všechny ostatní barvy spektra.
Laser
Přeskoky elektronů při tzv. stimulované emisi jsou zdrojem velmi specifického světelného záření - laserových paprsků. Jedná se o velmi intenzivní monochromatické (jednobarevné) světlo, soustředěné do velmi uzoučkého svazku. První světelný laser vznikl v roce 1960 a od té doby našel tento zdroj světla nesmírně široké využití. Z mnoha aplikací se běžně setkáváme s laserovými ukazovátky, laserovými čtečkami čárového kódu u pokladen obchodů, laserový paprsek "čte" záznam zapsaný na kompaktních discích CD, slouží k přesnému zaměřování v geodézii i k řezání různých materiálů. Široké uplatnění našel laserový paprsek v medicíně, kde umožňuje provádět i ty nejchoulostivější operace, například v oční chirurgii nebo v neurochirurgii.
Rentgenové záření
Když v roce 1895 objevil německý fyzik W. C. Röntgen do té doby neznámý druh záření, netušil nic o jeho podstatě. Elektrony, které jsou jeho příčinou, objevil J.J.Thomson teprve o dva roky později. Rentgenové záření vzniká tak, že velmi rychlé elektrony dopadají ve vákuu na wolframovou destičku a část jejich energie se přemění na fotony elektromagnetického záření s velmi malou vlnovou délkou, ještě kratší než má ultrafialové záření. Toto záření proniká různými materiály a tato jeho vlastnost našla brzy uplatnění především v medicíně. Nejprve rentgenovým vyšetřováním kostí a dalších tělesných orgánů, později také k léčení ozařováním. Moderní rentgenové přístroje široce využívají výpočetní techniku, k velmi podrobnému vyšetřování slouží počítačová tomografie - známé CT neboli "cétéčko". Základem je zde rotující speciální rentgenová lampa, která "prohlíží" pacienta z různých směrů a získané snímky zpracuje výkonný počítač. Dnes má samozřejmě rentgenové záření mnohem širší využití od defektoskopie až po restaurování starých předmětů.
Rentgenka z roku 1899 a "rentgenový snímek" dámské kabelky
Elektronový mikroskop
Ani nejdokonalejší optické mikroskopy nedovolují pozorovat příliš malé předměty, protože vlivem ohybu světla už nemohou vytvořit jejich obraz. Řešením by bylo použít záření ještě kratších vlnových délek (například rentgenový mikroskop). Mnohem častěji se však využívá toho, že urychlené elektrony se chovají jako vlnění s velmi malou vlnovou délkou. Elektronový mikroskop (obr.) má v principu podobnou konstrukci jako mikroskop optický:
| Optický mikroskop |
Elektronový mikroskop |
| zdroj světla (žárovka) |
zdroj elektronů (katoda) |
| objektiv (skleněná čočka) |
objektiv (magnetická čočka) |
| okulár (skleněná čočka) |
okulár (magnetická čočka) |
| pozorování (oko, film) |
pozorování (film, monitor) |
Elektronový mikroskop poskytuje obrovské zvětšení, které se dá snadno měnit změnou napětí. Uvnitř mikroskopu musí být hluboké vákuum. Obraz není přímo viditelný, ale vytvoří se buď na filmu, nebo má elektronickou podobu na stínítku monitoru.