Albert Einstein sanoi erityisessä suhteellisuusteoriassaan, että massa ja energia ovat samanarvoisia ja ne voidaan muuntaa toisilleen. Tästä tulee lauseke E = mc ^ 2, jossa E tarkoittaa energiaa, m tarkoittaa massaa ja c tarkoittaa valon nopeutta. Tämä on perusta ydinenergialle, jossa atomin massa voidaan muuntaa energiaksi. Energiaa löytyy myös ytimen ulkopuolelta subatomisista hiukkasista, joita sähkömagneettinen voima pitää yhdessä.
Elektronien energiatasot
Energiaa löytyy atomin elektronipyöristä, joita sähkömagneettinen voima pitää paikallaan. Negatiivisesti varautuneet elektronit kiertävät positiivisesti varautuneen ytimen ja riippuen siitä, kuinka paljon energiaa heillä on, niitä esiintyy eri kiertoradatasoilla. Kun jotkut atomit absorboivat energiaa, niiden elektronien sanotaan olevan "innoissaan" ja hyppäävät korkeammalle tasolle. Kun elektronit laskevat takaisin alkuperäiseen energiatilaansa, ne lähettävät energiaa sähkömagneettisen säteilyn muodossa, useimmiten näkyvänä valona tai lämpönä. Lisäksi kun elektroneja jaetaan toisen atomin elektronien kanssa kovalenttisen sitoutumisen prosessissa, energia varastoidaan sidoksiin. Kun nämä sidokset katkeavat, energia vapautuu myöhemmin, useimmiten lämmön muodossa.
Ydinenergia
Suurin osa atomista löydetystä energiasta on ydinmassaa. Atomin ydin sisältää protoneja ja neutroneja, joita vahva ydinvoima pitää yhdessä. Jos tämä voima hajotettaisiin, ydin repeytyisi irti ja vapauttaisi osan massastaan energiana. Tätä kutsutaan fissioksi. Toinen prosessi, joka tunnetaan nimellä fuusio, tapahtuu, kun kaksi ydintä yhdistyvät muodostaen vakaamman ytimen, joka vapauttaa energiaa prosessissa.
Einsteinin suhteellisuusteoria
Joten kuinka paljon energiaa on varastoitu atomin ytimeen? Vastaus on melko paljon verrattuna siihen, kuinka pieni hiukkanen todella on. Einsteinin erityinen suhteellisuusteoria sisältää yhtälön E = mc ^ 2, mikä tarkoittaa, että aineen energia vastaa sen massaa kerrottuna valonopeuden neliöllä. Erityisesti protonin massa on 1,672 x 10 ^ -27 kiloa, mutta se sisältää 1,505 x 10 ^ -10 joulea. Tämä on edelleen pieni määrä, mutta kun se ilmaistaan reaalimaailmassa, siitä tulee valtava. Esimerkiksi pieni määrä vetyä litraa vettä on noin 0,111 kilogrammaa. Tämä vastaa 1 x 10 ^ 16 joulea tai energiaa, joka syntyy polttamalla miljoona litraa bensiiniä.
Ydinenergia
Koska massan muuntaminen energiaksi tuottaa niin hämmästyttävän määrän energiaa suhteellisen pienistä massaista, tämä on houkutteleva polttoaineen lähde. Reaktion saaminen tapahtumaan turvallisissa ja hallituissa olosuhteissa voi kuitenkin olla haaste. Suurin osa ydinvoimasta tulee uraanin hajoamisesta pienemmiksi hiukkasiksi. Tämä ei aiheuta pilaantumista, mutta se tuottaa vaarallista radioaktiivista jätettä. Silti ydinvoiman osuus on vähän alle 20 prosenttia Yhdysvaltojen voimantarpeesta.