În Teoria sa specială a relativității, Albert Einstein a spus că masa și energia sunt echivalente și pot fi convertite între ele. De aici provine expresia E = mc ^ 2, în care E reprezintă energie, m reprezintă masă și c reprezintă viteza luminii. Aceasta este baza pentru energia nucleară, în care masa din interiorul unui atom poate fi convertită în energie. Energia se găsește și în afara nucleului prin particulele subatomice care sunt ținute împreună de forța electromagnetică.
Niveluri de energie electronică
Energia poate fi găsită în orbitalele electronice ale unui atom, ținute pe loc de forța electromagnetică. Electronii încărcați negativ orbitează un nucleu încărcat pozitiv și, în funcție de cantitatea de energie pe care o posedă, se găsesc la diferite niveluri orbitale. Când unii atomi absorb energie, se spune că electronii lor sunt „excitați” și sar la un nivel superior. Când electronii cad înapoi la starea lor inițială de energie, vor emite energie sub formă de radiație electromagnetică, cel mai adesea sub formă de lumină vizibilă sau căldură. În plus, atunci când electronii sunt împărțiți cu cei ai altui atom în procesul de legătură covalentă, energia este stocată în legături. Când aceste legături sunt rupte, energia este eliberată ulterior, cel mai adesea sub formă de căldură.
Energie nucleară
Cea mai mare parte a energiei care poate fi găsită într-un atom este sub forma masei nucleare. Nucleul unui atom conține protoni și neutroni, care sunt ținuți împreună de forța nucleară puternică. Dacă această forță ar fi întreruptă, nucleul s-ar rupe și ar elibera o parte din masa sa ca energie. Aceasta este cunoscută sub numele de fisiune. Un alt proces, cunoscut sub numele de fuziune, are loc atunci când doi nuclei se reunesc pentru a forma un nucleu mai stabil, eliberând energie în proces.
Teoria relativității a lui Einstein
Deci, câtă energie este stocată în nucleul unui atom? Răspunsul este destul de mult, în comparație cu cât de mică este de fapt particula. Teoria specială a relativității a lui Einstein include ecuația E = mc ^ 2, ceea ce înseamnă că energia din materie este echivalentă cu masa sa înmulțită cu pătratul vitezei luminii. Mai exact, masa unui proton este de 1,672 x 10 ^ -27 kilograme, dar conține 1,505 x 10 ^ -10 jouli. Acesta este încă un număr mic, dar când este exprimat în termeni reali, devine imens. Cantitatea mică de hidrogen dintr-un litru de apă, de exemplu, este de aproximativ 0,111 kilograme. Acest lucru este echivalent cu 1 x 10 ^ 16 jouli, sau energia produsă prin arderea unui milion de galoane de benzină.
Energie nucleară
Deoarece conversia masei în energie oferă o cantitate atât de uimitoare de energie din mase relativ mici, aceasta este o sursă de combustibil tentantă. Cu toate acestea, obținerea reacției în condiții de siguranță și controlate poate fi o provocare. Cea mai mare energie nucleară provine din fisiunea uraniului în particule mai mici. Acest lucru nu provoacă poluare, dar produce deșeuri radioactive periculoase. Cu toate acestea, energia nucleară reprezintă puțin mai puțin de 20% din cererea de energie a Statelor Unite.