Typ energie uloženej v atóme

Albert Einstein vo svojej Špeciálnej teórii relativity uviedol, že hmotnosť a energia sú ekvivalentné a je možné ich navzájom prevádzať. Odtiaľ pochádza výraz E = mc ^ 2, v ktorom E znamená energiu, m znamená hmotnosť a c znamená rýchlosť svetla. Toto je základ pre jadrovú energiu, v ktorej sa môže hmotnosť v atóme premeniť na energiu. Energia sa tiež nachádza mimo jadra subatomárne častice, ktoré elektromagnetická sila drží pohromade.

Energiu môžeme nájsť na elektrónových orbitáloch atómu, ktoré drží elektromagnetická sila na svojom mieste. Negatívne nabité elektróny obiehajú okolo pozitívne nabitého jadra a v závislosti od toho, koľko energie majú, sa nachádzajú na rôznych orbitálnych úrovniach. Keď niektoré atómy absorbujú energiu, hovorí sa, že ich elektróny sú „vzrušené“ a preskočia na vyššiu úroveň. Keď elektróny klesnú späť do pôvodného energetického stavu, budú emitovať energiu vo forme elektromagnetického žiarenia, najčastejšie ako viditeľné svetlo alebo teplo. Ďalej, keď sú elektróny zdieľané s elektrónmi iného atómu v procese kovalentnej väzby, energia sa ukladá vo väzbách. Keď sa tieto väzby prerušia, energia sa následne uvoľní, najčastejšie vo forme tepla.

Väčšina energie, ktorú môžeme nájsť v atóme, je vo forme jadrovej hmoty. Jadro atómu obsahuje protóny a neutróny, ktoré drží pohromade silná jadrová sila. Ak by sa táto sila mala narušiť, jadro by sa roztrhlo a uvoľnilo časť svojej hmoty ako energiu. Toto sa nazýva štiepenie. Ďalší proces, známy ako fúzia, prebieha, keď sa dve jadrá spoja a vytvoria stabilnejšie jadro, ktoré pri tom uvoľní energiu.

Koľko energie sa teda ukladá v jadre atómu? Odpoveď je pomerne veľa v porovnaní s tým, ako malá je častica v skutočnosti. Einsteinova špeciálna teória relativity obsahuje rovnicu E = mc ^ 2, čo znamená, že energia v hmote je ekvivalentná jej hmotnosti vynásobenej druhou mocninou rýchlosti svetla. Hmotnosť protónu je konkrétne 1 672 x 10 ^ -27 kilogramov, obsahuje však 1,505 x 10 ^ -10 joulov. Je to stále malý počet, ale ak sa vyjadrí v reálnom svete, stane sa obrovským. Napríklad malé množstvo vodíka v litre vody je asi 0,111 kilogramu. To sa rovná 1 x 10 ^ 16 joulov, alebo energia vyrobená spálením milióna galónov benzínu.

Pretože premena hmoty na energiu poskytuje také ohromné ​​množstvo energie z relatívne malých hmôt, je to lákavý zdroj paliva. Získať reakciu v bezpečných a kontrolovaných podmienkach však môže byť výzva. Väčšina jadrovej energie pochádza zo štiepenia uránu na menšie častice. To nespôsobuje znečistenie, ale produkuje nebezpečný rádioaktívny odpad. Napriek tomu jadrová energia predstavuje niečo menej ako 20 percent energetických požiadaviek USA.