Τύπος ενέργειας που αποθηκεύεται σε άτομο

Στην Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν είπε ότι η μάζα και η ενέργεια είναι ισοδύναμα και μπορούν να μετατραπούν το ένα στο άλλο. Εδώ προέρχεται η έκφραση E = mc ^ 2, στην οποία το E σημαίνει ενέργεια, το m σημαίνει μάζα και το c σημαίνει την ταχύτητα του φωτός. Αυτή είναι η βάση για την πυρηνική ενέργεια, στην οποία η μάζα μέσα σε ένα άτομο μπορεί να μετατραπεί σε ενέργεια. Ενέργεια βρίσκεται επίσης έξω από τον πυρήνα από υποατομικά σωματίδια που συγκρατούνται μαζί από την ηλεκτρομαγνητική δύναμη.

Ενέργεια μπορεί να βρεθεί στις ηλεκτρονικές τροχιές ενός ατόμου, που συγκρατείται στη θέση της από την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια περιστρέφονται σε έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα και ανάλογα με την ενέργεια που διαθέτουν, βρίσκονται σε διαφορετικά επίπεδα τροχιάς. Όταν ορισμένα άτομα απορροφούν ενέργεια, τα ηλεκτρόνια τους λέγονται «ενθουσιασμένα» και πηδούν σε υψηλότερο επίπεδο. Όταν τα ηλεκτρόνια πέσουν πίσω στην αρχική ενεργειακή τους κατάσταση, θα εκπέμπουν ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, συνήθως ως ορατό φως ή θερμότητα. Επιπλέον, όταν τα ηλεκτρόνια μοιράζονται με αυτά ενός άλλου ατόμου κατά τη διαδικασία της ομοιοπολικής σύνδεσης, η ενέργεια αποθηκεύεται εντός των δεσμών. Όταν σπάσουν αυτοί οι δεσμοί, η ενέργεια απελευθερώνεται στη συνέχεια, πιο συχνά με τη μορφή θερμότητας.

Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που μπορεί να βρεθεί σε ένα άτομο έχει τη μορφή της πυρηνικής μάζας. Ο πυρήνας ενός ατόμου περιέχει πρωτόνια και νετρόνια, τα οποία συγκρατούνται μαζί από την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Εάν η δύναμη αυτή διαλυθεί, ο πυρήνας θα διαλύσει και θα απελευθερώσει ένα μέρος της μάζας του ως ενέργεια. Αυτό είναι γνωστό ως σχάση. Μια άλλη διαδικασία, γνωστή ως σύντηξη, λαμβάνει χώρα όταν δύο πυρήνες ενώνονται για να σχηματίσουν έναν πιο σταθερό πυρήνα, απελευθερώνοντας ενέργεια στη διαδικασία.

Πόση ενέργεια λοιπόν αποθηκεύεται στον πυρήνα ενός ατόμου; Η απάντηση είναι αρκετά, σε σύγκριση με το πόσο μικρό είναι το σωματίδιο. Η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν περιλαμβάνει την εξίσωση E = mc ^ 2, που σημαίνει ότι η ενέργεια στην ύλη είναι ισοδύναμη με τη μάζα της πολλαπλασιαζόμενη με το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός. Συγκεκριμένα, η μάζα ενός πρωτονίου είναι 1,672 x 10 ^ -27 κιλά, αλλά περιέχει 1,505 x 10 ^ -10 joules. Αυτός είναι ακόμα ένας μικρός αριθμός, αλλά όταν εκφράζεται σε πραγματικούς όρους, γίνεται τεράστιο. Η μικρή ποσότητα υδρογόνου σε ένα λίτρο νερού, για παράδειγμα, είναι περίπου 0,111 κιλά. Αυτό ισοδυναμεί με 1 x 10 ^ 16 joule, ή την ενέργεια που παράγεται με την καύση ενός εκατομμυρίου γαλλονιών βενζίνης.

Επειδή η μετατροπή της μάζας σε ενέργεια παρέχει μια τόσο εντυπωσιακή ποσότητα ενέργειας από σχετικά μικρές μάζες, αυτή είναι μια δελεαστική πηγή καυσίμου. Ωστόσο, η λήψη της αντίδρασης σε ασφαλείς και ελεγχόμενες συνθήκες μπορεί να είναι μια πρόκληση. Η περισσότερη πυρηνική ενέργεια προέρχεται από τη σχάση του ουρανίου σε μικρότερα σωματίδια. Αυτό δεν προκαλεί ρύπανση, αλλά παράγει επικίνδυνα ραδιενεργά απόβλητα. Ωστόσο, η πυρηνική ενέργεια αντιπροσωπεύει λίγο λιγότερο από το 20 τοις εκατό των απαιτήσεων ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών.