Tipo di energia immagazzinata all'interno di un atomo

Nella sua Teoria della Relatività Speciale, Albert Einstein ha affermato che massa ed energia sono equivalenti e possono essere convertite l'una nell'altra. Da qui deriva l'espressione E = mc^2, in cui E sta per energia, m sta per massa e c sta per velocità della luce. Questa è la base dell'energia nucleare, in cui la massa all'interno di un atomo può essere convertita in energia. L'energia si trova anche al di fuori del nucleo da particelle subatomiche tenute insieme dalla forza elettromagnetica.

L'energia può essere trovata negli orbitali elettronici di un atomo, tenuti in posizione dalla forza elettromagnetica. Gli elettroni con carica negativa orbitano attorno a un nucleo con carica positiva e, a seconda di quanta energia possiedono, si trovano in diversi livelli orbitali. Quando alcuni atomi assorbono energia, si dice che i loro elettroni sono "eccitati" e saltano a un livello superiore. Quando gli elettroni tornano al loro stato energetico iniziale, emetteranno energia sotto forma di radiazione elettromagnetica, molto spesso sotto forma di luce visibile o calore. Inoltre, quando gli elettroni sono condivisi con quelli di un altro atomo nel processo di legame covalente, l'energia viene immagazzinata all'interno dei legami. Quando questi legami vengono rotti, l'energia viene successivamente rilasciata, il più delle volte sotto forma di calore.

La maggior parte dell'energia che si può trovare in un atomo è sotto forma di massa nucleare. Il nucleo di un atomo contiene protoni e neutroni, che sono tenuti insieme dalla forza nucleare forte. Se quella forza dovesse essere interrotta, il nucleo si lacererebbe e rilascerebbe una parte della sua massa come energia. Questo è noto come fissione. Un altro processo, noto come fusione, avviene quando due nuclei si uniscono per formare un nucleo più stabile, rilasciando energia nel processo.

Quindi quanta energia è immagazzinata nel nucleo di un atomo? La risposta è parecchia, rispetto a quanto piccola sia effettivamente la particella. La Teoria della Relatività Speciale di Einstein include l'equazione E = mc^2, il che significa che l'energia nella materia è equivalente alla sua massa moltiplicata per il quadrato della velocità della luce. Nello specifico, la massa di un protone è 1,672 x 10^-27 chilogrammi, ma contiene 1,505 x 10^-10 joule. Questo è ancora un numero piccolo, ma quando è espresso in termini reali, diventa enorme. La piccola quantità di idrogeno in un litro d'acqua, ad esempio, è di circa 0,111 chilogrammi. Questo è equivalente a 1 x 10^16 joule, o l'energia prodotta bruciando un milione di galloni di benzina.

Poiché la conversione della massa in energia fornisce una quantità così impressionante di energia da masse relativamente piccole, questa è una fonte di combustibile allettante. Tuttavia, far sì che la reazione avvenga in condizioni sicure e controllate può essere una sfida. La maggior parte dell'energia nucleare deriva dalla fissione dell'uranio in particelle più piccole. Questo non causa inquinamento, ma produce pericolosi rifiuti radioattivi. Tuttavia, l'energia nucleare rappresenta poco meno del 20 percento della domanda di energia degli Stati Uniti.