Os 3 tipos de energia armazenada em cada átomo
A energia química, onde os elétrons transitam em átomos, alimenta as reações que vemos. Mas dois outros tipos são mais promissores do que todos os outros.
A ilustração deste artista mostra um elétron orbitando um núcleo atômico, onde o elétron é uma partícula fundamental, mas o núcleo pode ser dividido em constituintes ainda menores e mais fundamentais. O átomo mais simples de todos, o hidrogênio, é um elétron e um próton unidos. Outros átomos têm mais prótons em seu núcleo, com o número de prótons definindo o tipo de átomo com o qual estamos lidando. (Crédito: Nicole Rager Fuller/NSF)
Principais conclusões- Os átomos compõem tudo com o que estamos familiarizados em nosso mundo: elétrons ligados a núcleos atômicos.
- As maneiras como os átomos se unem e os elétrons se movem para vários níveis de energia absorvem e liberam energia, respondendo pela maioria das transições que vemos.
- Mas também existem outras formas de energia, e se pudermos aproveitá-las com segurança, isso mudará tudo.
O átomo humilde é o bloco de construção fundamental de toda a matéria normal.
O átomo de hidrogênio, um dos blocos de construção mais importantes da matéria, existe em um estado quântico excitado com um número quântico magnético particular. Embora suas propriedades sejam bem definidas, certas perguntas, como ‘onde está o elétron neste átomo’, só têm respostas determinadas probabilisticamente. Esta configuração eletrônica específica é mostrada para o número quântico magnético m=2. ( Crédito : BerndThaller/Wikimedia Commons)
O hidrogênio, no qual elétrons individuais orbitam prótons individuais, compõe ~ 90% de todos os átomos.
Os Pilares da Criação, encontrados na Nebulosa da Águia a alguns milhares de anos-luz da Terra, exibem um conjunto de gavinhas imponentes de gás e poeira que fazem parte de uma região ativa de formação de estrelas. Mesmo 13,8 bilhões de anos no universo, aproximadamente 90% de todos os átomos lá fora, em número, ainda são hidrogênio. ( Crédito : NASA, ESA e Hubble Heritage Team (STScI/AURA))
Mecanicamente quântica, os elétrons ocupam apenas níveis de energia específicos.
Gráficos de densidade de hidrogênio para um elétron em uma variedade de estados quânticos. Embora três números quânticos possam explicar muita coisa, o “spin” deve ser adicionado para explicar a tabela periódica e o número de elétrons nos orbitais de cada átomo. (Crédito: PoorLeno na Wikipedia em inglês)
As transições atômicas e moleculares entre esses níveis absorvem e/ou liberam energia.
As transições de elétrons no átomo de hidrogênio, juntamente com os comprimentos de onda dos fótons resultantes, mostram o efeito da energia de ligação e a relação entre o elétron e o próton na física quântica. As transições mais fortes do hidrogênio são ultravioletas, nas Lyman-seires (transição para n = 1), mas suas segundas transições mais fortes são visíveis: linhas da série Balmer (transições para n = 2). ( Crédito : OrangeDog e Szdori/Wikimedia Commons)
As transições energéticas têm muitas causas: absorção de fótons, colisões moleculares, quebra/formação de ligações atômicas, etc.
As diferenças de nível de energia em um átomo de Lutécio-177. Observe como existem apenas níveis de energia específicos e discretos que são aceitáveis. Enquanto os níveis de energia são discretos, as posições dos elétrons não são. ( Crédito : EM. Litz e G. Merkel Laboratório de Pesquisa do Exército, SEDD, DEPG Adelphi, MD)
A energia química alimenta a maioria dos empreendimentos humanos, através do carvão, petróleo, gás, energia eólica, hidrelétrica e solar.
Usinas de energia tradicionais, baseadas nas reações de combustão de combustíveis fósseis, como a usina a carvão Dave Johnson em Wyoming, podem gerar enormes quantidades de energia, mas exigem a queima de uma enorme quantidade de combustível para isso. Em comparação, as transições nucleares, em vez das transições baseadas em elétrons, podem ser mais de 100.000 vezes mais eficientes em termos energéticos. ( Crédito : Greg Goebel/flickr)
O reações químicas mais eficientes em termos energéticos converter apenas ~ 0,000001% de sua massa em energia.
Uma das fontes mais eficientes de energia química pode ser encontrada na aplicação de combustível de foguete: onde o combustível de hidrogênio líquido é queimado pela queima em conjunto com o oxigênio. Mesmo com essa aplicação, demonstrada aqui com o primeiro lançamento do foguete Saturno I, Bloco II de 1964, a eficiência é muito, muito menor do que as reações nucleares são capazes de alcançar. ( Crédito : NASA/Marshall Space Flight Center)
No entanto, os núcleos atômicos oferecem opções superiores.
Embora, em volume, um átomo seja principalmente espaço vazio, dominado pela nuvem de elétrons, o núcleo atômico denso, responsável por apenas 1 parte em 10^15 do volume de um átomo, contém ~ 99,95% da massa de um átomo. As reações entre os componentes internos de um núcleo podem liberar muito mais energia do que as transições de elétrons. ( Crédito : Yzmo e Mpfiz/Wikimedia Commons)
Contendo 99,95% da massa de um átomo, as ligações entre prótons e nêutrons envolvem energias significativamente maiores.
A reação em cadeia do Urânio-235, que leva a uma bomba de fissão nuclear, mas também gera energia dentro de um reator nuclear, é alimentada pela absorção de nêutrons como seu primeiro passo, resultando na produção de três nêutrons livres adicionais. ( Crédito : E. Siegel, Fastfission/domínio público)
A fissão nuclear, por exemplo, converte ~0,09% da massa fissionável em energia pura.
O reator nuclear de Palo Verde, mostrado aqui, gera energia separando o núcleo dos átomos e extraindo a energia liberada dessa reação. O brilho azul vem de elétrons emitidos fluindo para a água ao redor, onde viajam mais rápido que a luz nesse meio e emitem luz azul: radiação Cherenkov. ( Crédito : Departamento de Energia/Sociedade Americana de Física)
A fusão de hidrogênio em hélio alcança eficiências ainda maiores.
A versão mais direta e de menor energia da cadeia próton-próton, que produz hélio-4 a partir do combustível inicial de hidrogênio. Observe que apenas a fusão de deutério e um próton produz hélio a partir do hidrogênio; todas as outras reações produzem hidrogênio ou fazem hélio a partir de outros isótopos de hélio. ( Crédito : Hive/Wikimedia Commons)
Para cada quatro prótons que se fundem em hélio-4, ~0,7% da massa inicial é convertida em energia.
No National Ignition Facility, lasers omnidirecionais de alta potência comprimem e aquecem um pellet de material em condições suficientes para iniciar a fusão nuclear. Uma bomba de hidrogênio, onde uma reação de fissão nuclear comprime a pastilha de combustível, é uma versão ainda mais extrema disso, produzindo temperaturas maiores do que até mesmo o centro do Sol. ( Crédito : Damien Jemison/LLNL)
A energia nuclear supera universalmente as transições de elétrons para eficiência energética.
Aqui, um feixe de prótons é disparado em um alvo de deutério no experimento LUNA. A taxa de fusão nuclear em várias temperaturas ajudou a revelar a seção transversal deutério-próton, que era o termo mais incerto nas equações usadas para calcular e entender as abundâncias líquidas que surgiriam no final da Nucleossíntese do Big Bang. ( Crédito : Experiência LUNA/Gran Sasso)
Ainda assim, a maior fonte de energia do átomo é a massa de repouso, extraível via Einstein E = mdois .
A produção de pares de matéria/antimatéria (à esquerda) a partir de energia pura é uma reação completamente reversível (à direita), com a aniquilação de matéria/antimatéria de volta à energia pura. Se uma fonte confiável e controlável de antimatéria for obtida, a aniquilação de antimatéria com matéria oferece a reação mais eficiente em energia possível: 100%. ( Crédito : Dmitri Pogosyan/Universidade de Alberta)
A aniquilação de matéria-antimatéria é 100% eficiente, convertendo massa completamente em energia.
Na imagem principal, os jatos de antimatéria da nossa galáxia são ilustrados, soprando “bolhas de Fermi” no halo de gás que cerca nossa galáxia. Na pequena imagem inserida, os dados reais do Fermi mostram as emissões de raios gama resultantes desse processo. Essas bolhas surgem da energia produzida pela aniquilação elétron-pósitron: um exemplo de matéria e antimatéria interagindo e sendo convertidas em energia pura via E = mc^2. ( Crédito : David A. Aguilar (principal); NASA/GSFC/Fermi (inserção))
Energia praticamente ilimitada está trancada dentro de cada átomo; a chave é extraí-lo com segurança e confiabilidade.
Assim como um átomo é um núcleo massivo, carregado positivamente, orbitado por um ou mais elétrons, os antiátomos simplesmente invertem todas as partículas de matéria constituintes para suas contrapartes de antimatéria, com pósitron(s) orbitando o núcleo de antimatéria carregado negativamente. As mesmas possibilidades energéticas existem para a antimatéria que para a matéria. ( Crédito : Katie Bertsche/Lawrence Berkeley Lab)
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