Rodzaj energii przechowywanej w atomie

W swojej Szczególnej Teorii Względności Albert Einstein powiedział, że masa i energia są równoważne i można je nawzajem zamienić. Stąd pochodzi wyrażenie E = mc^2, w którym E oznacza energię, m masę, a c prędkość światła. Jest to podstawa energii jądrowej, w której masa w atomie może zostać przekształcona w energię. Energia znajduje się również poza jądrem dzięki cząstkom subatomowym utrzymywanym razem przez siłę elektromagnetyczną.

Energię można znaleźć w orbitalach elektronowych atomu, utrzymywanych w miejscu przez siłę elektromagnetyczną. Ujemnie naładowane elektrony krążą wokół dodatnio naładowanego jądra iw zależności od posiadanej energii znajdują się na różnych poziomach orbitalnych. Kiedy niektóre atomy pochłaniają energię, mówi się, że ich elektrony są „wzbudzone” i przeskakują na wyższy poziom. Kiedy elektrony spadną z powrotem do swojego początkowego stanu energetycznego, będą emitować energię w postaci promieniowania elektromagnetycznego, najczęściej w postaci światła widzialnego lub ciepła. Dodatkowo, gdy elektrony są dzielone z elektronami innego atomu w procesie wiązania kowalencyjnego, energia jest magazynowana w wiązaniach. Kiedy te wiązania są zerwane, energia jest następnie uwalniana, najczęściej w postaci ciepła.

Większość energii, którą można znaleźć w atomie, ma postać masy jądrowej. Jądro atomu zawiera protony i neutrony, które są utrzymywane razem przez silne oddziaływanie jądrowe. Gdyby ta siła została zakłócona, jądro rozerwałoby się i uwolniłoby część swojej masy w postaci energii. Nazywa się to rozszczepieniem. Inny proces, znany jako fuzja, ma miejsce, gdy dwa jądra łączą się, tworząc bardziej stabilne jądro, uwalniając w tym procesie energię.

Więc ile energii jest zmagazynowane w jądrze atomu? Odpowiedzi jest całkiem sporo w porównaniu z tym, jak mała jest w rzeczywistości cząsteczka. Szczególna teoria względności Einsteina zawiera równanie E = mc^2, co oznacza, że ​​energia w materii jest równoważna jej masie pomnożonej przez kwadrat prędkości światła. Konkretnie, masa protonu wynosi 1,672 x 10^-27 kilogramów, ale zawiera on 1,505 x 10^-10 dżuli. To wciąż niewielka liczba, ale kiedy wyraża się ją w realnych warunkach, staje się ogromna. Na przykład niewielka ilość wodoru w litrze wody wynosi około 0,111 kilograma. Odpowiada to 1 x 10^16 dżuli, czyli energii wytworzonej przez spalenie miliona galonów benzyny.

Ponieważ przekształcenie masy w energię zapewnia tak oszałamiającą ilość energii ze stosunkowo małych mas, jest to kuszące źródło paliwa. Jednak uzyskanie reakcji w bezpiecznych i kontrolowanych warunkach może być wyzwaniem. Większość energii jądrowej pochodzi z rozszczepienia uranu na mniejsze cząstki. Nie powoduje to zanieczyszczenia, ale wytwarza niebezpieczne odpady radioaktywne. Mimo to energia jądrowa stanowi nieco mniej niż 20 procent zapotrzebowania energetycznego Stanów Zjednoczonych.