Albert Einstein ütles oma erirelatiivsusteoorias, et mass ja energia on samaväärsed ning neid saab üksteiseks muuta. Siit tuleb väljend E = mc ^ 2, milles E tähistab energiat, m tähistab massi ja c tähistab valguse kiirust. See on tuumaenergia alus, kus aatomi massi saab muundada energiaks. Energiat leidub väljaspool tuuma ka sellega, et elektromagnetiline jõud hoiab koos allatoomilisi osakesi.
Elektronide energiatasemed
Energiat võib leida aatomi elektronorbitaalidest, mida elektromagnetiline jõud hoiab paigal. Negatiivselt laetud elektronid tiirlevad positiivselt laetud tuuma ümber ja sõltuvalt sellest, kui palju energiat neil on, leidub neid erinevatel orbitaaltasanditel. Kui mõned aatomid neelavad energiat, öeldakse, et nende elektronid on "põnevil" ja hüppavad kõrgemale tasemele. Kui elektronid langevad tagasi oma algsesse energiaolekusse, eraldavad nad energiat elektromagnetilise kiirguse kujul, enamasti nähtava valguse või kuumusena. Lisaks, kui elektrone jagatakse kovalentse sidumise käigus teise aatomi omadega, salvestatakse energia sidemete sisse. Kui need sidemed purunevad, vabaneb seejärel energia, enamasti soojuse kujul.
Tuumaenergia
Suurem osa aatomis leiduvast energiast on tuumamass. Aatomi tuum sisaldab prootoneid ja neutroneid, mida tugev tuumajõud hoiab koos. Kui see jõud oleks häiritud, puruneks tuum lahti ja vabastaks energia osana osa oma massist. Seda nimetatakse lõhustumiseks. Teine protsess, mida nimetatakse termotuumasünteesiks, toimub siis, kui kaks tuuma saavad kokku, moodustades stabiilsema tuuma, vabastades protsessis energiat.
Einsteini relatiivsusteooria
Niisiis, kui palju energiat on aatomi tuumas salvestatud? Vastust on üsna palju, võrreldes sellega, kui väike osake tegelikult on. Einsteini erirelatiivsusteooria sisaldab võrrandit E = mc ^ 2, mis tähendab, et aine aine võrdub selle massiga, mis on korrutatud valguse kiiruse ruuduga. Täpsemalt on prootoni mass 1,672 x 10 ^ -27 kilogrammi, kuid see sisaldab 1,505 x 10 ^ -10 džauli. See on endiselt väike arv, kuid kui see väljendub reaalses maailmas, muutub see tohutuks. Näiteks väike kogus vesinikku liitri vees on umbes 0,111 kilogrammi. See võrdub 1 x 10 ^ 16 džauliga ehk miljoniga galloni bensiini põletamisel tekkiva energiaga.
Tuumaenergia
Kuna massi muundamine energiaks annab nii hämmastava hulga energiat suhteliselt väikestest massidest, on see ahvatlev kütuseallikas. Kuid reaktsiooni toimumine ohututes ja kontrollitud tingimustes võib olla väljakutse. Enamik tuumaenergiat pärineb uraani lõhustumisest väiksemateks osakesteks. See ei põhjusta reostust, küll aga ohtlikke radioaktiivseid jäätmeid. Sellegipoolest moodustab tuumaenergia veidi vähem kui 20 protsenti USA energiavajadusest.