I sin særlige relativitetsteori sagde Albert Einstein, at masse og energi er ækvivalente og kan konverteres til hinanden. Det er her udtrykket E = mc ^ 2 kommer fra, hvor E står for energi, m står for masse og c står for lysets hastighed. Dette er grundlaget for atomenergi, hvor massen i et atom kan omdannes til energi. Energi findes også uden for kernen ved, at subatomære partikler holdes sammen af den elektromagnetiske kraft.
Elektronenerginiveauer
Energi kan findes i elektronets orbitaler i et atom, der holdes på plads af den elektromagnetiske kraft. Negativt ladede elektroner kredser om en positivt ladet kerne, og afhængigt af hvor meget energi de besidder, findes de i forskellige orbitale niveauer. Når nogle atomer absorberer energi, siges deres elektroner at være "ophidsede" og hoppe til et højere niveau. Når elektronerne falder ned til deres oprindelige energitilstand, udsender de energi i form af elektromagnetisk stråling, oftest som synligt lys eller varme. Derudover, når elektroner deles med dem fra et andet atom i processen med kovalent binding, lagres energi i bindingerne. Når disse bindinger brydes, frigives derefter energi, ofte i form af varme.
Atomenergi
Det meste af den energi, der findes i et atom, er i form af kernemassen. Atomens kerne indeholder protoner og neutroner, som holdes sammen af den stærke atomkraft. Hvis denne kraft blev afbrudt, ville kernen rive fra hinanden og frigive en del af dens masse som energi. Dette er kendt som fission. En anden proces, kendt som fusion, finder sted, når to kerner mødes for at danne en mere stabil kerne, der frigiver energi i processen.
Einsteins relativitetsteori
Så hvor meget energi er der lagret i kernen i et atom? Svaret er ret meget sammenlignet med hvor lille partiklen faktisk er. Einsteins særlige relativitetsteori inkluderer ligningen E = mc ^ 2, hvilket betyder, at energien i stof svarer til dens masse ganget med kvadratet af lysets hastighed. Specifikt er massen af en proton 1,672 x 10 ^ -27 kg, men den indeholder 1,505 x 10 ^ -10 joule. Dette er stadig et lille antal, men når det udtrykkes i virkelige termer, bliver det enormt. Den lille mængde brint i en liter vand er for eksempel ca. 0,111 kg. Dette svarer til 1 x 10 ^ 16 joule, eller den energi, der produceres ved at brænde en million liter benzin.
Atomenergi
Fordi omdannelsen af masse til energi giver en så svimlende mængde energi fra relativt små masser, er dette en fristende brændstofkilde. At få reaktionen til at foregå under sikre og kontrollerede forhold kan imidlertid være en udfordring. Mest kernekraft kommer fra fission af uran i mindre partikler. Dette medfører ikke forurening, men det producerer farligt radioaktivt affald. Alligevel udgør atomkraft lidt mindre end 20 procent af USAs magtbehov.