Különleges relativitáselméletében Albert Einstein azt mondta, hogy a tömeg és az energia egyenértékű, és átalakíthatók egymásba. Innen ered az E = mc ^ 2 kifejezés, amelyben E az energiát, m a tömeget és c a fénysebességet jelenti. Ez az alapja az atomenergiának, amelyben az atomon belüli tömeg energiává alakítható. Az energiát a magon kívül is megtalálják az elektromágneses erő által összetartott szubatomi részecskék.
Elektron energiaszintek
Az energia megtalálható az atom elektronpályáin, amelyeket az elektromágneses erő tart a helyén. A negatív töltésű elektronok egy pozitív töltésű mag körül keringenek, és attól függően, hogy mennyi energiájuk van, különböző orbitális szinteken találhatók. Amikor egyes atomok elnyelik az energiát, akkor azt mondják, hogy elektronjaik "izgatottak" és magasabb szintre ugranak. Amikor az elektronok visszaesnek a kezdeti energiaállapotba, elektromágneses sugárzás formájában bocsátanak ki energiát, leggyakrabban látható fényként vagy hőként. Ezen túlmenően, amikor a kovalens kötés során az elektronokat megosztják egy másik atoméval, az energiát a kötéseken belül tárolják. Amikor ezek a kötések megszakadnak, az energia később felszabadul, leggyakrabban hő formájában.
Nukleáris energia
Az atomban megtalálható energia nagy része az atomtömeg formájában van. Az atom magja protonokat és neutronokat tartalmaz, amelyeket az erős nukleáris erő összetart. Ha ez az erő megszakadna, a mag széttépne és tömegének egy részét energiaként felszabadítaná. Ezt hasadásnak nevezik. Egy másik folyamat, az úgynevezett fúzió, akkor megy végbe, amikor két mag összeáll és stabilabb magot alkot, és energiát szabadít fel a folyamat során.
Einstein relativitáselmélete
Tehát mennyi energia tárolódik az atom magjában? A válasz elég sok ahhoz képest, hogy a részecske valójában milyen kicsi. Einstein speciális relativitáselmélete magában foglalja az E = mc ^ 2 egyenletet, ami azt jelenti, hogy az anyag energiája megegyezik tömegével, szorozva a fénysebesség négyzetével. Pontosabban, a proton tömege 1,672 x 10 ^ -27 kilogramm, de 1,505 x 10 ^ -10 joule-t tartalmaz. Ez még mindig kevés, de ha valós értelemben kifejezzük, óriásivá válik. Például egy liter vízben található kis hidrogénmennyiség körülbelül 0,111 kilogramm. Ez megfelel 1 x 10 ^ 16 joule-nak, vagy az egymillió liter benzin elégetésével előállított energiának.
Nukleáris energia
Mivel a tömeg energiává történő átalakítása ilyen megdöbbentő energiát biztosít viszonylag kis tömegekből, ez csábító üzemanyag-forrás. A reakció biztonságos és ellenőrzött körülmények között történő megvalósítása azonban kihívást jelenthet. A legtöbb atomenergia az urán kisebb részecskékké történő hasadásából származik. Ez nem okoz szennyezést, de veszélyes radioaktív hulladékot termel. Ennek ellenére az atomenergia az Egyesült Államok energiaigényének alig kevesebb mint 20 százalékát teszi ki.
