في نظريته النسبية الخاصة ، قال ألبرت أينشتاين أن الكتلة والطاقة متكافئان ويمكن تحويلهما إلى بعضهما البعض. هذا هو المكان الذي يأتي منه التعبير E = mc ^ 2 ، حيث يرمز E إلى الطاقة ، و m يرمز إلى الكتلة و c يشير إلى سرعة الضوء. هذا هو أساس الطاقة النووية ، حيث يمكن تحويل الكتلة داخل الذرة إلى طاقة. توجد الطاقة أيضًا خارج النواة عن طريق الجسيمات دون الذرية التي يتم تجميعها معًا بواسطة القوة الكهرومغناطيسية.
مستويات طاقة الإلكترون
يمكن العثور على الطاقة في مدارات الإلكترون للذرة ، مثبتة في مكانها بواسطة القوة الكهرومغناطيسية. تدور الإلكترونات سالبة الشحنة حول نواة موجبة الشحنة ، واعتمادًا على مقدار الطاقة التي تمتلكها ، توجد في مستويات مدارية مختلفة. عندما تمتص بعض الذرات الطاقة ، يقال إن إلكتروناتها "متحمسة" وتقفز إلى مستوى أعلى. عندما تتراجع الإلكترونات إلى حالة طاقتها الأولية ، فإنها ستصدر طاقة على شكل إشعاع كهرومغناطيسي ، غالبًا على شكل ضوء مرئي أو حرارة. بالإضافة إلى ذلك ، عندما تتم مشاركة الإلكترونات مع تلك الموجودة في ذرة أخرى في عملية الترابط التساهمي ، يتم تخزين الطاقة داخل الروابط. عندما تنكسر هذه الروابط ، يتم إطلاق الطاقة لاحقًا ، غالبًا في شكل حرارة.
الطاقة النووية
معظم الطاقة التي يمكن العثور عليها في الذرة هي في شكل كتلة نووية. تحتوي نواة الذرة على البروتونات والنيوترونات ، والتي ترتبط ببعضها البعض بواسطة القوة النووية القوية. إذا تعطلت هذه القوة ، فإن النواة ستمزق وتطلق جزءًا من كتلتها كطاقة. هذا هو المعروف باسم الانشطار. تحدث عملية أخرى ، تُعرف بالاندماج ، عندما تجتمع نواتان معًا لتشكيل نواة أكثر استقرارًا ، وتطلق الطاقة في هذه العملية.
نظرية النسبية لأينشتاين
إذن ما مقدار الطاقة المخزنة في نواة الذرة؟ الجواب كثير جدًا ، مقارنة بمدى صغر حجم الجسيم في الواقع. تتضمن نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين المعادلة E = mc ^ 2 ، مما يعني أن الطاقة في المادة تعادل كتلتها مضروبة في مربع سرعة الضوء. على وجه التحديد ، تبلغ كتلة البروتون 1.672 × 10 ^ -27 كيلوجرامًا ، ولكنها تحتوي على 1.505 × 10 ^ -10 جول. لا يزال هذا رقمًا صغيرًا ، ولكن عندما يتم التعبير عنه بمصطلحات العالم الحقيقي ، يصبح ضخمًا. كمية الهيدروجين الصغيرة في لتر من الماء ، على سبيل المثال ، حوالي 0.111 كيلوغرام. هذا يعادل 1 × 10 ^ 16 جول ، أو الطاقة الناتجة عن حرق مليون جالون من البنزين.
الطاقة النووية
نظرًا لأن تحويل الكتلة إلى طاقة يوفر مثل هذه الكمية المذهلة من الطاقة من كتل صغيرة نسبيًا ، فهذا مصدر وقود مغري. ومع ذلك ، فإن الحصول على رد الفعل في ظروف آمنة وخاضعة للرقابة يمكن أن يمثل تحديًا. تأتي معظم الطاقة النووية من انشطار اليورانيوم إلى جزيئات أصغر. هذا لا يسبب التلوث ، لكنه ينتج نفايات مشعة خطيرة. ومع ذلك ، فإن الطاقة النووية تمثل أقل بقليل من 20 في المائة من متطلبات الطاقة للولايات المتحدة.