Type energie opgeslagen in een atoom

In zijn speciale relativiteitstheorie zei Albert Einstein dat massa en energie equivalent zijn en in elkaar kunnen worden omgezet. Hier komt de uitdrukking E = mc^2 vandaan, waarin E staat voor energie, m voor massa en c voor de lichtsnelheid. Dit is de basis voor kernenergie, waarbij de massa in een atoom kan worden omgezet in energie. Energie wordt ook buiten de kern gevonden door subatomaire deeltjes die bij elkaar worden gehouden door de elektromagnetische kracht.

Energie kan worden gevonden in de elektronenorbitalen van een atoom, op hun plaats gehouden door de elektromagnetische kracht. Negatief geladen elektronen draaien in een baan om een ​​positief geladen kern, en afhankelijk van hoeveel energie ze bezitten, worden ze gevonden in verschillende orbitale niveaus. Wanneer sommige atomen energie absorberen, wordt gezegd dat hun elektronen "opgewonden" zijn en naar een hoger niveau springen. Wanneer de elektronen terugvallen naar hun oorspronkelijke energietoestand, zenden ze energie uit in de vorm van elektromagnetische straling, meestal als zichtbaar licht of warmte. Bovendien, wanneer elektronen worden gedeeld met die van een ander atoom in het proces van covalente binding, wordt energie binnen de bindingen opgeslagen. Wanneer die bindingen worden verbroken, komt vervolgens energie vrij, meestal in de vorm van warmte.

De meeste energie die in een atoom te vinden is, heeft de vorm van de kernmassa. De kern van een atoom bevat protonen en neutronen, die bij elkaar worden gehouden door de sterke kernkracht. Als die kracht zou worden verstoord, zou de kern uit elkaar scheuren en een deel van zijn massa als energie vrijgeven. Dit staat bekend als splitsing. Een ander proces, bekend als fusie, vindt plaats wanneer twee kernen samenkomen om een ​​stabielere kern te vormen, waarbij energie vrijkomt tijdens het proces.

Dus hoeveel energie is er opgeslagen in de kern van een atoom? Het antwoord is best veel, vergeleken met hoe klein het deeltje eigenlijk is. De speciale relativiteitstheorie van Einstein bevat de vergelijking E = mc ^ 2, wat betekent dat de energie in materie gelijk is aan de massa vermenigvuldigd met het kwadraat van de lichtsnelheid. Concreet is de massa van een proton 1.672 x 10^-27 kilogram, maar het bevat 1.505 x 10^-10 joule. Dit is nog steeds een klein aantal, maar wanneer het wordt uitgedrukt in reële termen, wordt het enorm. De kleine hoeveelheid waterstof in een liter water is bijvoorbeeld ongeveer 0,111 kilogram. Dit komt overeen met 1 x 10^16 joule, of de energie die wordt geproduceerd door het verbranden van een miljoen gallons benzine.

Omdat de omzetting van massa in energie zo'n duizelingwekkende hoeveelheid energie levert uit relatief kleine massa's, is dit een verleidelijke brandstofbron. Het kan echter een uitdaging zijn om de reactie onder veilige en gecontroleerde omstandigheden te laten plaatsvinden. De meeste kernenergie komt van de splijting van uranium in kleinere deeltjes. Dit veroorzaakt geen vervuiling, maar levert wel gevaarlijk radioactief afval op. Toch is kernenergie goed voor iets minder dan 20 procent van de stroombehoefte van de Verenigde Staten.