Fyzika kolem nás, v nás, ale i daleko od nás, je fascinující. Určuje pravidla všem ostatním vědám. Fyzika není jen dílem ve velké skládačce, nýbrž je podkladem, na kterém leží vše. Tato rubrika představuje příběh jedné z částic. Tentokrát elektronu…

Elektrony jsou malé částice s velmi malou hmotností, ale jejich vliv je obrovský. Váží pouze 0,0000000000000000000000000911 gramů, bez nich by však neexistovala žádná elektronika, žádný atom a tedy ani žádný člověk.

Co jsou elektrony a jak je můžeme využít k manipulaci s různými předměty a hmotou obecně? Připravte se na cestu do světa kvant…

Elektrony v atomu

Představte si, že váš domov je atom křemíku (Si – základní materiál polovodiče). Atom má své jádro – třeba ovladač na televizi – a zbytek tvoří obal velikosti 3generačního domu. A je děsivě prázdný. Pozoruhodnou skutečností totiž je, že 99,9999 procent objemu běžné hmoty vyplňuje prázdný prostor a ještě pozoruhodnější je, že 99,9 % hmotnosti celého atomu (baráku), se soustředí právě v atomovém jádru, tedy ovladači na televizi.

Ve 100 000krát menším jádru se tísní 14 protonů a v obrovském prostoru ve třech vrstvách obíhá 14 elektronů, z nich čtyři jsou u dveří – v poslední valenční vrstvě, která se podílí na vazbě s okolními atomy.

A teď si představte, že jste tím jedním elektronem v atomu křemíku a těch dalšími 13 elektronů tvoří středobod vašeho vesmíru. Na vás a ostatní elektrony působí elektromagnetická síla, která vás udržuje v určité vzdálenosti od jádra, kterou určují kvantové zákony.

Čas od času interagujete s elektrony ze sousedních atomů a poté dále setrváváte v oblasti pravděpodobného výskytu kolem svého jádra.

Elektrony v pohybu

Začíná svítat a z ničeho nic vás míjejí částice, tak rychlá, až svítí. Ještě než se stačíte otočit, už létají všude kolem. Najednou je všude rušno. A bum. Jeden z těchto fotonů interaguje s vámi a dodá vám dostatek energie k opuštění atomu.

Letíte v prostoru mezi dalšími atomy křemíku. Vidíte, jak jsou i tyto atomy bombardovány částicemi světla, které uvolňují další elektrony. Když ale atom křemíku přijde o elektron, tak 14 kladně nabitých protonů je víc než 13 záporně nabitých elektronů, a tak se stává pozitivně nabitým a začne přitahovat další elektrony v okolí.

Tento proces se opakuje pod tlakem proudu fotonů, a tak se jako elektron znovu a znovu pohybujete skrze materiál, až nakonec dorazíte k drátku, který vede z tohoto prostředí ven.

Jediná možná cesta

Sebejistě se derete skrze řvoucí davy ostatních elektronů s pocitem, že ve struktuře měděného drátku bude lépe. Všechny elektrony se tlačí jedinou možnou cestou. Materiál křemíku, na který svítí slunce, se samozřejmě zahřívá.

Energie dopadajících fotonů nejen uvolňuje elektrony, ale také rozkmitává atomy v krystalové mřížce. Elektrony jsou následně přitahovány k opačně nabitým oblastem, což způsobuje, že celý solární panel pracuje na oddělování a vedení těchto elektronů.

Každý solární panel má totiž dva vývody. Jedním elektrony vstupují do panelu, kde interagují s fotony v křemíkovém materiálu, a druhým vývodem elektrony odcházejí spolu se získanou energií. Tyto vývody tvoří základ stejnosměrné elektřiny.

Elektřina stejnosměrná

Ve zlomku sekundy se ocitáte ve struktuře měděného drátku. Elektrony jsou poháněny elektrickým polem a atomy mědi si vás elektron po elektronu předávají jak štafetu. Jakmile se usadíte v blízkosti jednoho atomu, další elektron vás posune dál.

Čím rychleji se elektrony do drátku tlačí, tím rychleji si je atomy mědi předávají a tím větší je indukované magnetické pole. Když z drátku uděláme cívku a spojíme ji s dalším drátkem vedoucím ze solárního panelu, vytvoříme elektromagnet.

Elektřina střídavá

Cesta pokračuje k zařízení zvanému střídač. Tento přístroj můžeme představit jako systém, který přesně dávkuje a časuje průchod elektronů tak, aby se stejnosměrný proud, který generují solární panely, přeměnil na střídavý proud, jenž používáme v našich zásuvkách.

Když si dáte mobil na nabíječku, proud se zpětně transformuje na stejnosměrný. Elektrony se kabelem dostávají do integrovaných obvodů mobilního telefonu, kde plní různé úkoly. Některé z nich aktivují procesy, které umožňují zpracování dat, zatímco jiné se připravují na nejzajímavější část své cesty – emisi fotonu.

Emise fotonu

V tomto okamžiku se atomy displeje dostávají do takzvaného excitovaného stavu, kdy se jejich elektrony na chvíli posunou na vyšší energetickou hladinu. Když se elektrony vrátí zpět na svůj původní energetický stav, uvolňují energii ve formě fotonu – částice světla.

Tyto fotony pak vycházejí z displeje a pohybují se směrem k vašemu oku, kde jsou zachyceny receptory v sítnici. Jakmile se foton dostane do oka, interaguje s elektronem, který putuje do zadní části mozku (do okcipitálního laloku).

Tímto způsobem elektrony, které začaly svou cestu na křemíkové desce solárního článku, přes různé transformace, nakonec vytvářejí světlo, které vidíte na displeji svého mobilního telefonu.

Elektrony v biologii

Elektrony hrají zásadní roli v biologických procesech. V buněčném dýchání a fotosyntéze se elektrony přenášejí mezi molekulami, což umožňuje produkci energie nezbytné pro život. Dokonce i v našem mozku si nervové buňky posílají signály prostřednictvím elektrických impulsů, které zajišťují pohyb elektronů a spouštění chemických reakcí.

Technologie transkraniální magnetické stimulace (TMS) a transkraniální elektrické stimulace (TES) umožňují cíleně ovlivňovat aktivitu neuronů v mozku pomocí magnetických nebo elektrických polí. Tyto metody mají velký potenciál pro výzkum a léčbu neuropsychiatrických poruch.

Víte, jak chutná elektron?

Jako cokoliv, co si pamatujete. Když je nervová buňka v gustatorické kůře aktivována, může vyvolat chuťový vjem spojený s určitou vzpomínkou. Elektrony zde nepřenášejí přímé chuťové informace, ale jejich pohyb spouští chemické reakce, které vedou ke vzniku tohoto vjemu.

Veškeré naše myšlenky, rozhodnutí i pohyby jsou výsledkem komunikace neuronů, kterou zajišťují elektrochemické procesy.

Za vším stojí fyzika

Tento příběh ukazuje, jak lze i složité procesy vnímat a chápat, abychom je mohli využívat v moderních technologiích. Od solárního panelu, přes střídač, usměrňovač a mobilní telefon, až do lidského mozku.

Je důležité uvádět do obecného povědomí, jak zásadní roli elektrony hrají ve všem, co nás obklopuje, stejně jako v tom, co nás utváří. Fyzika, která stojí za těmito procesy, nám ukazuje, jak mocná a vlivná může být.

Boleslav Plhák