Typ av energi lagrad i en atom

I sin speciella relativitetsteori sa Albert Einstein att massa och energi är likvärdiga och kan omvandlas till varandra. Det är här uttrycket E = mc ^ 2 kommer ifrån, där E står för energi, m står för massa och c står för ljusets hastighet. Detta är grunden för kärnenergi, där massan i en atom kan omvandlas till energi. Energi finns också utanför kärnan genom att subatomära partiklar hålls samman av den elektromagnetiska kraften.

Energi finns i elektronens orbitaler i en atom som hålls på plats av den elektromagnetiska kraften. Negativt laddade elektroner kretsar kring en positivt laddad kärna, och beroende på hur mycket energi de har finns de i olika banor. När vissa atomer absorberar energi sägs deras elektroner vara "upphetsade" och hoppa till en högre nivå. När elektronerna faller tillbaka till sitt ursprungliga energiläge kommer de att avge energi i form av elektromagnetisk strålning, oftast som synligt ljus eller värme. Dessutom, när elektroner delas med de hos en annan atom i processen för kovalent bindning, lagras energi i bindningarna. När dessa bindningar bryts frigörs energi därefter, oftast i form av värme.

Det mesta av den energi som finns i en atom är i form av kärnmassan. Kärnan i en atom innehåller protoner och neutroner, som hålls samman av den starka kärnkraften. Om den kraften skulle störas skulle kärnan riva sönder och frigöra en del av sin massa som energi. Detta kallas fission. En annan process, känd som fusion, äger rum när två kärnor samlas för att bilda en mer stabil kärna som frigör energi i processen.

Så hur mycket energi lagras i kärnan i en atom? Svaret är ganska mycket, jämfört med hur liten partikeln egentligen är. Einsteins speciella relativitetsteori inkluderar ekvationen E = mc ^ 2, vilket betyder att energin i materien är ekvivalent med dess massa multiplicerat med kvadratet för ljusets hastighet. Närmare bestämt är massan av en proton 1,672 x 10 ^ -27 kg, men den innehåller 1,505 x 10 ^ -10 joule. Detta är fortfarande ett litet antal, men när det uttrycks i verkliga termer blir det enormt. Den lilla mängden väte i en liter vatten är till exempel cirka 0,111 kg. Detta motsvarar 1 x 10 ^ 16 joule, eller den energi som produceras genom att bränna en miljon liter bensin.

Eftersom omvandlingen av massa till energi ger en sådan häpnadsväckande mängd energi från relativt små massor är detta en frestande bränslekälla. Att få reaktionen att ske under säkra och kontrollerade förhållanden kan dock vara en utmaning. Mest kärnkraft kommer från klyvning av uran i mindre partiklar. Detta orsakar inte föroreningar, men det producerar farligt radioaktivt avfall. Fortfarande står kärnkraft för mindre än 20 procent av USA: s maktbehov.