每个原子中储存的三种能量
氢原子是构成物质最重要的构件之一，它以特定的磁量子数以激发态存在。
尽管它的性质是明确定义的，但某些问题，比如“这个原子中的电子在哪里”，只有概率上确定的答案。
磁量子数m=2时，这种特殊的电子构型如图所示。
氢，其中单个电子围绕单个质子运行，约占所有原子的90%。
创世之柱是在距离地球几千光年的鹰状星云中发现的，它展示了一组高耸的气体和尘埃卷须，它们是活跃的恒星形成区域的一部分。
即使宇宙已经存在了138亿年，按数字计算，宇宙中大约90%的原子仍然是氢。
从量子力学角度讲，电子只占据特定能级。
电子在不同量子态下的氢密度图。
虽然三个量子数可以解释很多，但必须加上“自旋”来解释元素周期表和每个原子的轨道上的电子数量。
原子和分子在这些能级之间的跃迁吸收和/或释放能量。
氢原子中的电子跃迁，以及产生的光子的波长，展示了结合能的影响以及量子物理中电子和质子之间的关系。
氢的最强跃迁是紫外线，在莱曼序列中(跃迁到n=1)，但它的次强跃迁是可见的：巴尔默系列线(跃迁到n=2)。
能量跃迁有多种原因：光子吸收、分子碰撞、原子键断裂/形成等。
Lu-177原子中的能级差。
请注意，只有特定的、离散的能级才是可接受的。
虽然能级是离散的，但电子的位置却不是。
化学能源通过煤、石油、天然气、风能、水力发电和太阳能为人类的大部分努力提供动力。
基于化石燃料燃烧反应的传统发电厂，如怀俄明州的戴夫·约翰逊燃煤发电厂，可以产生大量的能源，但需要燃烧大量的燃料才能做到这一点。
相比之下，核跃迁，而不是基于电子的跃迁，能效可能是前者的10万倍以上。
最节能的化学反应只将其质量的0.000001%转化为能量。
最有效的化学能源之一可以在火箭燃料的应用中找到：液氢燃料通过与氧气一起燃烧来燃烧。
即使在1964年首次发射土星一号，积木二号火箭的这一应用中，其效率也远远低于核反应所能达到的水平。在这里，土星一号，积木二号火箭于1964年首次发射，其效率远远低于核反应的能力。
然而，原子核提供了更好的选择。
虽然从体积上看，一个原子基本上是空的，主要是电子云，但致密的原子核只占一个原子体积的十分之一，却包含了一个原子质量的99.95%。
原子核内部成分之间的反应释放的能量比电子跃迁释放的能量多得多。
质子和中子之间的键包含一个原子质量的99.95%，所涉及的能量要大得多。
铀-235连锁反应既可以制造核裂变炸弹，也可以在核反应堆内产生电力，其第一步是由中子吸收提供动力，从而产生另外三个自由中子。
例如，核裂变将约0.09%的可裂变质量转化为纯能。
如图所示，帕洛维德核反应堆通过分裂原子核并提取从该反应中释放出来的能量来产生能量。
蓝光来自于发射的电子流入周围的水，在那里它们的传播速度比光在介质中的速度更快，并发出蓝光：切伦科夫辐射。
将氢熔合成氦可以实现更高的效率。
质子-质子链中最直接、能量最低的版本，它从最初的氢燃料中产生氦-4。
请注意，只有氘和质子的聚变才能从氢中产生氦；所有其他反应要么产生氢，要么从氦的其他同位素中产生氦。
对于每四个聚变为氦-4的质子，大约0.7%的初始质量被转化为能量。
在国家点火设施中，全方位高功率激光将材料颗粒压缩和加热到足以引发核聚变的条件。
氢弹，即核裂变反应压缩燃料小球，是更极端的版本，产生的温度甚至比太阳的中心还要高。
在能源效率方面，核能普遍超过电子跃迁。
这里，在露娜实验中，一束质子束射向一个氘靶。
不同温度下的核聚变速率有助于揭示氘-质子截面，这是用于计算和理解大爆炸核合成结束时将出现的净丰度的方程式中最不确定的术语。
尽管如此，原子最大的能量来源是静止质量，可以通过爱因斯坦的E=mc2来提取。
从纯能量产生物质/反物质对(左)是一个完全可逆的反应(右)，物质/反物质湮没回到纯能量。
如果可以获得可靠的、可控的反物质源，那么反物质与物质的湮灭将提供最高能效的反应：100%。
物质-反物质湮灭是100%有效的，将质量完全转化为能量。
在主图中，我们银河系的反物质喷流在银河系周围的气体光晕中吹出“费米气泡”。
在这张小插图中，实际的费米数据显示了这一过程产生的伽马射线辐射。
这些“气泡”来自电子-正电子湮没产生的能量：物质和反物质相互作用并通过E=mc^2转化为纯能量的例子。
实际上，每个原子内部都锁有无限的能量；关键是安全可靠地提取它。
就像原子是一个带正电的大质量原子核，由一个或多个电子围绕着它运行一样，反原子只是将所有组成物质的粒子翻转成与其对应的反物质粒子，正电子围绕带负电的反物质核运行。
与物质一样，反物质也存在同样的能量可能性。