В своей специальной теории относительности Альберт Эйнштейн сказал, что масса и энергия эквивалентны и могут быть преобразованы друг в друга. Отсюда происходит выражение E = mc ^ 2, в котором E означает энергию, m означает массу, а c означает скорость света. Это основа ядерной энергии, в которой масса внутри атома может быть преобразована в энергию. Энергия также находится вне ядра за счет субатомных частиц, удерживаемых вместе электромагнитной силой.
Уровни энергии электронов
Энергию можно найти в электронных орбиталях атома, удерживаемых на месте электромагнитной силой. Отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг положительно заряженного ядра, и в зависимости от того, какой энергией они обладают, они находятся на разных орбитальных уровнях. Когда некоторые атомы поглощают энергию, их электроны считаются «возбужденными» и переходят на более высокий уровень. Когда электроны возвращаются к своему начальному энергетическому состоянию, они излучают энергию в форме электромагнитного излучения, чаще всего в виде видимого света или тепла. Кроме того, когда электроны разделяются с электронами другого атома в процессе ковалентной связи, энергия сохраняется внутри связей. Когда эти связи разрываются, впоследствии выделяется энергия, чаще всего в виде тепла.
Ядерная энергия
Большая часть энергии, которую можно найти в атоме, находится в форме ядерной массы. Ядро атома содержит протоны и нейтроны, которые удерживаются вместе сильной ядерной силой. Если бы эта сила была нарушена, ядро разорвалось бы и высвободило бы часть своей массы в виде энергии. Это известно как деление. Другой процесс, известный как слияние, происходит, когда два ядра объединяются, чтобы сформировать более стабильное ядро, высвобождая при этом энергию.
Теория относительности Эйнштейна
Итак, сколько энергии хранится в ядре атома? Ответ довольно большой по сравнению с тем, насколько мала частица на самом деле. Специальная теория относительности Эйнштейна включает уравнение E = mc ^ 2, что означает, что энергия материи эквивалентна ее массе, умноженной на квадрат скорости света. В частности, масса протона составляет 1,672 x 10 ^ -27 килограммов, но он содержит 1,505 x 10 ^ -10 джоулей. Это все еще небольшое число, но когда оно выражается в реальных условиях, оно становится огромным. Например, небольшое количество водорода в литре воды составляет около 0,111 кг. Это эквивалентно 1 x 10 ^ 16 джоулей или энергии, получаемой при сжигании миллиона галлонов бензина.
Ядерная энергия
Поскольку преобразование массы в энергию обеспечивает такое ошеломляющее количество энергии из относительно небольших масс, это заманчивый источник топлива. Однако заставить реакцию происходить в безопасных и контролируемых условиях может быть непросто. Большая часть ядерной энергии происходит от деления урана на более мелкие частицы. Это не вызывает загрязнения, но производит опасные радиоактивные отходы. Тем не менее, на ядерную энергетику приходится немногим менее 20 процентов потребностей Соединенных Штатов в электроэнергии.