U svojoj Posebnoj teoriji relativnosti, Albert Einstein rekao je da su masa i energija ekvivalentni i mogu se pretvoriti jedna u drugu. Otuda dolazi izraz E = mc ^ 2, u kojem E označava energiju, m označava masu, a c označava brzinu svjetlosti. To je osnova za nuklearnu energiju, u kojoj se masa unutar atoma može pretvoriti u energiju. Energija se također nalazi izvan jezgre pomoću subatomskih čestica koje elektromagnetska sila drži zajedno.
Razine energije elektrona
Energija se može naći u elektronskim orbitalama atoma, koje elektromagnetska sila drži na mjestu. Negativno nabijeni elektroni kruže oko pozitivno nabijene jezgre i ovisno o tome koliko energije posjeduju, nalaze se na različitim orbitalnim razinama. Kad neki atomi apsorbiraju energiju, kaže se da su njihovi elektroni "pobuđeni" i skoče na višu razinu. Kad se elektroni vrate u početno energetsko stanje, emitirat će energiju u obliku elektromagnetskog zračenja, najčešće kao vidljiva svjetlost ili toplina. Uz to, kada se elektroni dijele s elektronima drugog atoma u procesu kovalentne veze, energija se pohranjuje unutar veza. Kad se te veze prekinu, energija se potom oslobađa, najčešće u obliku topline.
Nuklearna energija
Većina energije koja se može naći u atomu je u obliku nuklearne mase. Jezgra atoma sadrži protone i neutrone, koje snažna nuklearna sila drži zajedno. Ako bi se ta sila prekinula, jezgra bi se raspala i oslobodila dio svoje mase kao energija. To je poznato kao fisija. Drugi proces, poznat kao fuzija, odvija se kada se dvije jezgre spoje kako bi stvorile stabilniju jezgru, oslobađajući u tom procesu energiju.
Einsteinova teorija relativnosti
Dakle, koliko je energije pohranjeno u jezgri atoma? Odgovor je popriličan u usporedbi s tim koliko je čestica zapravo mala. Einsteinova posebna teorija relativnosti uključuje jednadžbu E = mc ^ 2, što znači da je energija u materiji jednaka njezinoj masi pomnoženoj s kvadratom brzine svjetlosti. Konkretno, masa protona je 1,672 x 10 ^ -27 kilograma, ali sadrži 1,505 x 10 ^ -10 džula. To je još uvijek mali broj, ali kada se izrazi u stvarnom smislu, postaje ogroman. Primjerice, mala količina vodika u litri vode iznosi oko 0,111 kilograma. To je ekvivalentno 1 x 10 ^ 16 džula ili energiji proizvedenoj sagorijevanjem milijun litara benzina.
Nuklearna energija
Budući da pretvorba mase u energiju daje tako zapanjujuću količinu energije iz relativno malih masa, ovo je primamljiv izvor goriva. Međutim, postizanje reakcije u sigurnim i kontroliranim uvjetima može biti izazov. Većina nuklearne energije dolazi od cijepanja urana na manje čestice. To ne uzrokuje zagađenje, ali stvara opasni radioaktivni otpad. Ipak, nuklearna energija čini nešto manje od 20 posto zahtjeva Sjedinjenih Država za energijom.