סוג האנרגיה המאוחסנת באטום

בתורת היחסות המיוחדת שלו אמר אלברט איינשטיין שמסה ואנרגיה שוות ערך וניתנות להמרה זו לזו. מכאן בא הביטוי E = mc ^ 2, בו E מייצג אנרגיה, m מייצג מסה ו- c מייצג את מהירות האור. זהו הבסיס לאנרגיה גרעינית, בה ניתן להמיר את המסה בתוך אטום לאנרגיה. אנרגיה נמצאת גם מחוץ לגרעין על ידי חלקיקים תת אטומיים המוחזקים יחד על ידי הכוח האלקטרומגנטי.

ניתן למצוא אנרגיה במסלולי האלקטרונים של אטום, המוחזקים על ידי הכוח האלקטרומגנטי. אלקטרונים טעונים שלילית מקיפים גרעין טעון חיובי, ובהתאם לכמות האנרגיה שיש להם, הם נמצאים ברמות מסלוליות שונות. כאשר ישנם אטומים שקולטים אנרגיה, אומרים כי האלקטרונים שלהם "נרגשים" וקופצים לרמה גבוהה יותר. כאשר האלקטרונים צונחים חזרה למצב האנרגיה הראשונית שלהם, הם פולטים אנרגיה בצורה של קרינה אלקטרומגנטית, לרוב כאור גלוי או כחום. בנוסף, כאשר האלקטרונים משותפים לאלו של אטום אחר בתהליך של קישור קוולנטי, האנרגיה נשמרת בתוך הקשרים. כאשר קשרים אלה נשברים, אנרגיה משתחררת לאחר מכן, לרוב בצורה של חום.

רוב האנרגיה שניתן למצוא באטום היא בצורת המסה הגרעינית. גרעין האטום מכיל פרוטונים ונויטרונים, המוחזקים בידי הכוח הגרעיני החזק. אם כוח זה היה מופרע, הגרעין היה מתפרק ומשחרר חלק ממסתו כאנרגיה. זה ידוע בשם ביקוע. תהליך אחר, המכונה היתוך, מתרחש כאשר שני גרעינים מתאחדים ויוצרים גרעין יציב יותר, ומשחרר אנרגיה בתהליך.

אז כמה אנרגיה נשמרת בגרעין האטום? התשובה היא די הרבה, לעומת כמה שהחלקיק קטן באמת. תורת היחסות המיוחדת של איינשטיין כוללת את המשוואה E = mc ^ 2, כלומר האנרגיה בחומר שווה ערך למסה המוכפלת בריבוע מהירות האור. באופן ספציפי, המסה של פרוטון היא 1.672 x 10 ^ -27 קילוגרמים, אך היא מכילה 1.505 x 10 ^ -10 ג'אול. זה עדיין מספר קטן, אך כאשר הוא בא לידי ביטוי במונחים של העולם האמיתי, הוא הופך להיות עצום. הכמות הקטנה של מימן בליטר מים, למשל, היא בערך 0.111 קילוגרמים. זה שווה ערך ל -1 x 10 ^ 16 ג'אול, או לאנרגיה המופקת משריפת מיליון גלונים של בנזין.

מכיוון שהמרת מסה לאנרגיה מספקת כמות כה מדהימה של אנרגיה ממסות קטנות יחסית, זהו מקור דלק מפתה. עם זאת, לגרום לתגובה להתקיים בתנאים בטוחים ומבוקרים יכול להיות אתגר. מרבית הכוח הגרעיני נובע מביקוע של אורניום לחלקיקים קטנים יותר. זה לא גורם לזיהום, אבל כן מייצר פסולת רדיואקטיבית מסוכנת. ובכל זאת, כוח גרעיני מהווה קצת פחות מ -20% מדרישות הכוח של ארצות הברית.