Albert Einstein ve své Speciální teorii relativity uvedl, že hmotnost a energie jsou ekvivalentní a lze je navzájem převádět. Odtud pochází výraz E = mc ^ 2, ve kterém E znamená energii, m znamená hmotu a c znamená rychlost světla. To je základ pro jadernou energii, ve které lze hmotu v atomu přeměnit na energii. Energie se také nachází mimo jádro tím, že subatomární částice drží pohromadě elektromagnetická síla.
Úrovně elektronové energie
Energii lze nalézt na elektronových orbitálech atomu, držených na místě elektromagnetickou silou. Negativně nabité elektrony obíhají kolem pozitivně nabitého jádra a podle toho, kolik energie mají, se nacházejí na různých orbitálních úrovních. Když některé atomy absorbují energii, říká se, že jejich elektrony jsou „vzrušené“ a skákají na vyšší úroveň. Když elektrony klesnou zpět do výchozího energetického stavu, budou emitovat energii ve formě elektromagnetického záření, nejčastěji jako viditelné světlo nebo teplo. Navíc, když jsou elektrony sdílené s těmi jiného atomu v procesu kovalentní vazby, je energie uložena ve vazbách. Když se tyto vazby rozbijí, energie se následně uvolní, nejčastěji ve formě tepla.
Nukleární energie
Většina energie, kterou lze v atomu najít, je ve formě jaderné hmoty. Jádro atomu obsahuje protony a neutrony, které drží pohromadě silná jaderná síla. Pokud by tato síla měla být narušena, jádro by se roztrhlo a uvolnilo část své hmoty jako energii. Toto se nazývá štěpení. Další proces, známý jako fúze, probíhá, když se dvě jádra spojí a vytvoří stabilnější jádro, které uvolní energii v procesu.
Einsteinova teorie relativity
Kolik energie je tedy uloženo v jádru atomu? Odpověď je celkem dost, ve srovnání s tím, jak malá je ve skutečnosti částice. Einsteinova speciální teorie relativity zahrnuje rovnici E = mc ^ 2, což znamená, že energie v hmotě je ekvivalentní její hmotnosti vynásobené druhou mocninou rychlosti světla. Konkrétně je hmotnost protonu 1,672 x 10 ^ -27 kilogramů, ale obsahuje 1,505 x 10 ^ -10 joulů. To je stále malé číslo, ale pokud je vyjádřeno v reálném světě, stává se obrovským. Například malé množství vodíku v litru vody je asi 0,111 kilogramu. To odpovídá 1 x 10 ^ 16 joulů, neboli energii vyrobené spálením milionu galonů benzínu.
Nukleární energie
Protože přeměna hmoty na energii poskytuje takové ohromující množství energie z relativně malých hmot, jedná se o lákavý zdroj paliva. Získání reakce v bezpečných a kontrolovaných podmínkách však může být výzvou. Většina jaderné energie pochází ze štěpení uranu na menší částice. To nezpůsobuje znečištění, ale produkuje nebezpečný radioaktivní odpad. Jaderná energie přesto představuje o něco méně než 20 procent energetických požadavků Spojených států.