アルバート・アインシュタインは、特殊相対性理論の中で、質量とエネルギーは同等であり、互いに変換できると述べています。 ここで、式E = mc ^ 2が由来します。ここで、Eはエネルギーを表し、mは質量を表し、cは光速を表します。 これが原子力の基礎であり、原子内の質量をエネルギーに変換することができます。 エネルギーはまた、電磁力によって一緒に保持されている亜原子粒子によって核の外側にあります。
電子エネルギーレベル
エネルギーは、電磁力によって所定の位置に保持されている原子の電子軌道にあります。 負に帯電した電子は正に帯電した原子核を周回し、それらが持つエネルギーの量に応じて、さまざまな軌道レベルで検出されます。 一部の原子がエネルギーを吸収すると、それらの電子は「励起」され、より高いレベルにジャンプすると言われます。 電子が最初のエネルギー状態に戻ると、電磁放射の形で、ほとんどの場合、可視光または熱としてエネルギーを放出します。 さらに、共有結合の過程で電子が他の原子の電子と共有されると、エネルギーは結合内に蓄積されます。 これらの結合が切断されると、その後、エネルギーが放出されます。ほとんどの場合、熱の形で放出されます。
核エネルギー
原子に見られるエネルギーのほとんどは、核の質量の形をしています。 原子核には陽子と中性子が含まれており、強い核力によって結合されています。 その力が破壊された場合、核は引き裂かれ、その質量の一部がエネルギーとして放出されます。 これは核分裂として知られています。 核融合と呼ばれる別のプロセスは、2つの原子核が集まってより安定した原子核を形成し、その過程でエネルギーを放出するときに発生します。
アインシュタインの相対性理論
では、原子核にはどのくらいのエネルギーが蓄えられているのでしょうか。 粒子が実際にどれほど小さいかと比較すると、答えはかなりたくさんあります。 アインシュタインの特殊相対性理論には、方程式E = mc ^ 2が含まれています。これは、物質のエネルギーがその質量に光速の2乗を掛けたものに等しいことを意味します。 具体的には、陽子の質量は1.672 x 10 ^ -27キログラムですが、1.505 x 10 ^ -10ジュールが含まれています。 これはまだ少ない数ですが、実世界で表現すると巨大になります。 たとえば、1リットルの水に含まれる少量の水素は約0.111キログラムです。 これは、1 x 10 ^ 16ジュール、つまり100万ガロンのガソリンを燃焼させることによって生成されるエネルギーに相当します。
核エネルギー
質量のエネルギーへの変換は、比較的小さな質量からそのような驚異的な量のエネルギーを提供するため、これは魅力的な燃料源です。 ただし、安全で制御された条件で反応を起こさせるのは難しい場合があります。 ほとんどの原子力発電は、ウランの核分裂から小さな粒子になります。 これは汚染を引き起こしませんが、危険な放射性廃棄物を生成します。 それでも、原子力は米国の電力需要の20パーセント弱を占めています。