У своїй Спеціальній теорії відносності Альберт Ейнштейн сказав, що маса і енергія рівнозначні і можуть перетворюватися одна на одну. Звідси походить вираз E = mc ^ 2, в якому E позначає енергію, m позначає масу, а c позначає швидкість світла. Це основа ядерної енергії, в якій маса всередині атома може бути перетворена в енергію. Енергія також знаходиться поза ядром завдяки субатомним частинкам, які утримуються разом за допомогою електромагнітної сили.
Рівні енергії електронів
Енергію можна знаходити на електронних орбіталях атома, утримуваних електромагнітною силою. Негативно заряджені електрони обертаються навколо позитивно зарядженого ядра, і залежно від того, скільки енергії вони мають, вони знаходяться на різних орбітальних рівнях. Коли деякі атоми поглинають енергію, кажуть, що їх електрони «збуджуються» і переходять на вищий рівень. Коли електрони опускаються назад до початкового енергетичного стану, вони випромінюватимуть енергію у вигляді електромагнітного випромінювання, найчастіше у вигляді видимого світла або тепла. Крім того, коли електрони діляться з електронами іншого атома в процесі ковалентного зв’язку, енергія накопичується всередині зв’язків. Коли ці зв'язки розриваються, енергія згодом виділяється, найчастіше у формі тепла.
Атомна енергія
Більша частина енергії, яку можна знайти в атомі, знаходиться у формі ядерної маси. Ядро атома містить протони та нейтрони, які утримуються разом сильною ядерною силою. Якщо цю силу буде порушено, ядро розірветься і випустить частину своєї маси як енергію. Це відоме як поділ. Інший процес, відомий як злиття, відбувається, коли два ядра з’єднуються, утворюючи більш стабільне ядро, виділяючи енергію в процесі.
Теорія відносності Ейнштейна
То скільки енергії зберігається в ядрі атома? Відповіді досить багато, порівняно з тим, наскільки маленькою є ця частинка. Спеціальна теорія відносності Ейнштейна включає рівняння E = mc ^ 2, що означає, що енергія в речовині еквівалентна його масі, помноженій на квадрат швидкості світла. Зокрема, маса протона становить 1,672 х 10 ^ -27 кілограмів, але він містить 1,505 х 10 ^ -10 джоулів. Це все ще невелика кількість, але коли це виражається в реальному вираженні, воно стає величезним. Наприклад, невелика кількість водню в літрі води становить близько 0,111 кілограма. Це еквівалентно 1 х 10 ^ 16 джоулів або енергії, що виробляється спалюванням мільйона галонів бензину.
Атомна енергія
Оскільки перетворення маси в енергію забезпечує таку приголомшливу кількість енергії відносно невеликих мас, це спокусливе джерело палива. Однак отримати реакцію у безпечних та контрольованих умовах може бути проблемою. Більшість ядерних джерел енергії походить від розподілу урану на дрібніші частинки. Це не спричиняє забруднення, але утворює небезпечні радіоактивні відходи. Тим не менше, на атомну енергію припадає трохи менше 20 відсотків енергетичних потреб Сполучених Штатів.