ประเภทของพลังงานที่เก็บไว้ในอะตอม

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของเขา อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ กล่าวว่ามวลและพลังงานเท่ากันและสามารถแปลงเป็นอีกมวลหนึ่งได้ นี่คือที่มาของนิพจน์ E = mc^2 โดยที่ E หมายถึงพลังงาน m หมายถึงมวล และ c หมายถึงความเร็วแสง นี่คือพื้นฐานของพลังงานนิวเคลียร์ ซึ่งมวลภายในอะตอมสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานได้ พลังงานยังถูกค้นพบนอกนิวเคลียสโดยอนุภาคของอะตอมที่ถูกยึดเข้าด้วยกันโดยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า

พลังงานสามารถพบได้ในออร์บิทัลของอิเล็กตรอนของอะตอม ซึ่งยึดไว้โดยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า อิเล็กตรอนที่มีประจุลบจะโคจรรอบนิวเคลียสที่มีประจุบวก และขึ้นอยู่กับว่าพวกมันมีพลังงานมากเพียงใด พวกมันถูกพบในระดับการโคจรที่ต่างกัน เมื่ออะตอมบางตัวดูดซับพลังงาน อิเล็กตรอนของพวกมันจะ "ตื่นเต้น" และกระโดดขึ้นไปสู่ระดับที่สูงขึ้น เมื่ออิเล็กตรอนกลับสู่สถานะพลังงานเริ่มต้น พวกมันจะปล่อยพลังงานออกมาในรูปของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งส่วนใหญ่มักจะเป็นแสงที่มองเห็นได้หรือความร้อน นอกจากนี้ เมื่อมีการแบ่งปันอิเล็กตรอนกับอะตอมอื่นในกระบวนการพันธะโควาเลนต์ พลังงานจะถูกเก็บไว้ภายในพันธะ เมื่อพันธะเหล่านั้นแตกออก พลังงานก็จะถูกปลดปล่อยออกมา ส่วนใหญ่มักจะอยู่ในรูปของความร้อน

พลังงานส่วนใหญ่ที่สามารถพบได้ในอะตอมจะอยู่ในรูปของมวลนิวเคลียร์ นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งถูกยึดเข้าด้วยกันโดยแรงนิวเคลียร์อย่างแรง หากแรงนั้นถูกรบกวน นิวเคลียสจะฉีกเป็นชิ้นๆ และปล่อยส่วนหนึ่งของมวลออกมาเป็นพลังงาน สิ่งนี้เรียกว่าฟิชชัน กระบวนการอื่นที่เรียกว่าฟิวชั่นเกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสสองตัวมารวมกันเพื่อสร้างนิวเคลียสที่เสถียรกว่า โดยปล่อยพลังงานออกมาในกระบวนการ

ดังนั้นพลังงานจะถูกเก็บไว้ในนิวเคลียสของอะตอมเท่าไร? คำตอบมีค่อนข้างมาก เมื่อเทียบกับขนาดของอนุภาคจริงๆ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์รวมถึงสมการ E = mc^2 ซึ่งหมายความว่าพลังงานในสสารจะเท่ากับมวลของมันคูณด้วยกำลังสองของความเร็วแสง โดยเฉพาะมวลของโปรตอนคือ 1.672 x 10^-27 กิโลกรัม แต่มี 1.505 x 10^-10 จูล นี่ยังเป็นจำนวนน้อย แต่เมื่อแสดงในแง่ของโลกแห่งความเป็นจริง มันจะกลายเป็นจำนวนมหาศาล ไฮโดรเจนจำนวนเล็กน้อยในน้ำหนึ่งลิตร เช่น ประมาณ 0.111 กิโลกรัม ซึ่งเทียบเท่ากับ 1 x 10^16 จูล หรือพลังงานที่เกิดจากการเผาไหม้น้ำมันเบนซินหนึ่งล้านแกลลอน

เนื่องจากการแปลงมวลเป็นพลังงานทำให้เกิดพลังงานจำนวนมหาศาลจากมวลที่ค่อนข้างเล็ก นี่จึงเป็นแหล่งเชื้อเพลิงที่น่าดึงดูด อย่างไรก็ตาม การทำให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นในสภาวะที่ปลอดภัยและควบคุมได้อาจเป็นเรื่องที่ท้าทาย พลังงานนิวเคลียร์ส่วนใหญ่มาจากการแยกตัวของยูเรเนียมให้เป็นอนุภาคขนาดเล็ก ไม่ก่อให้เกิดมลพิษ แต่ก่อให้เกิดขยะกัมมันตภาพรังสีที่เป็นอันตราย อย่างไรก็ตาม พลังงานนิวเคลียร์มีสัดส่วนน้อยกว่า 20 เปอร์เซ็นต์ของความต้องการพลังงานของสหรัฐอเมริกาเล็กน้อย