Type energi lagret i et atom

I sin spesielle relativitetsteori sa Albert Einstein at masse og energi er ekvivalente og kan konverteres til hverandre. Det er her uttrykket E = mc ^ 2 kommer fra, der E står for energi, m står for masse og c står for lysets hastighet. Dette er grunnlaget for kjernekraft, der massen i et atom kan omdannes til energi. Energi finnes også utenfor kjernen av subatomære partikler som holdes sammen av den elektromagnetiske kraften.

Energi kan bli funnet i elektronens orbitaler til et atom, holdt på plass av den elektromagnetiske kraften. Negativt ladede elektroner kretser rundt en positivt ladet kjerne, og avhengig av hvor mye energi de har, finnes de i forskjellige orbitale nivåer. Når noen atomer absorberer energi, sies det at elektronene deres er "begeistret" og hopper til et høyere nivå. Når elektronene faller ned til sin opprinnelige energitilstand, vil de avgi energi i form av elektromagnetisk stråling, oftest som synlig lys eller varme. I tillegg, når elektroner deles med de fra et annet atom i prosessen med kovalent binding, lagres energi i bindingene. Når disse bindingene brytes, frigjøres energi senere, oftest i form av varme.

Det meste av energien som finnes i et atom er i form av kjernemassen. Kjernen til et atom inneholder protoner og nøytroner, som holdes sammen av den sterke kjernekraften. Hvis den kraften skulle forstyrres, ville kjernen rive fra hverandre og frigjøre en del av massen som energi. Dette er kjent som fisjon. En annen prosess, kjent som fusjon, finner sted når to kjerner kommer sammen for å danne en mer stabil kjerne, og frigjør energi i prosessen.

Så hvor mye energi lagres i kjernen til et atom? Svaret er ganske mye, sammenlignet med hvor liten partikkelen faktisk er. Einsteins spesielle relativitetsteori inkluderer ligningen E = mc ^ 2, som betyr at energien i materie tilsvarer massen multiplisert med kvadratet av lysets hastighet. Nærmere bestemt er massen til en proton 1,672 x 10 ^ -27 kilo, men den inneholder 1,505 x 10 ^ -10 joule. Dette er fortsatt et lite tall, men når det uttrykkes i virkelige termer, blir det stort. Den lille mengden hydrogen i en liter vann er for eksempel ca. 0,111 kilo. Dette tilsvarer 1 x 10 ^ 16 joule, eller energien som produseres ved å brenne en million liter bensin.

Fordi konvertering av masse til energi gir en så svimlende mengde energi fra relativt små masser, er dette en fristende drivstoffkilde. Å få reaksjonen til å skje under trygge og kontrollerte forhold kan imidlertid være en utfordring. Mest atomkraft kommer fra fisjon av uran i mindre partikler. Dette forårsaker ikke forurensning, men produserer farlig radioaktivt avfall. Likevel utgjør atomkraft litt under 20 prosent av USAs maktkrav.