Art der in einem Atom gespeicherten Energie

In seiner Speziellen Relativitätstheorie sagte Albert Einstein, dass Masse und Energie äquivalent sind und ineinander umgerechnet werden können. Daher kommt der Ausdruck E = mc^2, wobei E für Energie, m für Masse und c für die Lichtgeschwindigkeit steht. Dies ist die Grundlage für die Kernenergie, bei der die Masse innerhalb eines Atoms in Energie umgewandelt werden kann. Energie wird auch außerhalb des Kerns gefunden, indem subatomare Teilchen durch die elektromagnetische Kraft zusammengehalten werden.

Energie kann in den Elektronenorbitalen eines Atoms gefunden werden, die durch die elektromagnetische Kraft an Ort und Stelle gehalten werden. Negativ geladene Elektronen umkreisen einen positiv geladenen Kern und befinden sich je nach Energiegehalt auf unterschiedlichen Bahnniveaus. Wenn einige Atome Energie absorbieren, werden ihre Elektronen "erregt" und springen auf ein höheres Niveau. Wenn die Elektronen in ihren ursprünglichen Energiezustand zurückfallen, emittieren sie Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung, meistens als sichtbares Licht oder Wärme. Wenn Elektronen im Prozess der kovalenten Bindung mit denen eines anderen Atoms geteilt werden, wird außerdem Energie innerhalb der Bindungen gespeichert. Wenn diese Bindungen aufgebrochen werden, wird anschließend Energie freigesetzt, meistens in Form von Wärme.

Die meiste Energie, die in einem Atom enthalten ist, liegt in Form der Kernmasse vor. Der Kern eines Atoms enthält Protonen und Neutronen, die durch die starke Kernkraft zusammengehalten werden. Wenn diese Kraft unterbrochen würde, würde der Kern zerreißen und einen Teil seiner Masse als Energie freisetzen. Dies wird als Spaltung bezeichnet. Ein weiterer Prozess, der als Fusion bekannt ist, findet statt, wenn zwei Kerne zusammenkommen, um einen stabileren Kern zu bilden und dabei Energie freizusetzen.

Wie viel Energie ist also im Kern eines Atoms gespeichert? Die Antwort ist ziemlich viel, verglichen damit, wie klein das Teilchen tatsächlich ist. Einsteins Spezielle Relativitätstheorie enthält die Gleichung E = mc^2, was bedeutet, dass die Energie der Materie ihrer Masse multipliziert mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Konkret beträgt die Masse eines Protons 1,672 x 10^-27 Kilogramm, enthält aber 1,505 x 10^-10 Joule. Dies ist immer noch eine kleine Zahl, aber wenn sie in realen Begriffen ausgedrückt wird, wird sie riesig. Die geringe Menge Wasserstoff in einem Liter Wasser beträgt beispielsweise etwa 0,111 Kilogramm. Dies entspricht 1 x 10^16 Joule oder der Energie, die durch das Verbrennen von einer Million Gallonen Benzin erzeugt wird.

Da die Umwandlung von Masse in Energie aus relativ kleinen Massen eine so erstaunliche Menge an Energie liefert, ist dies eine verlockende Brennstoffquelle. Es kann jedoch eine Herausforderung sein, die Reaktion unter sicheren und kontrollierten Bedingungen durchzuführen. Der größte Teil der Kernenergie stammt aus der Spaltung von Uran in kleinere Teilchen. Dies verursacht keine Umweltverschmutzung, aber es produziert gefährlichen radioaktiven Abfall. Dennoch macht die Kernenergie etwas weniger als 20 Prozent des Strombedarfs der Vereinigten Staaten aus.