1. Mass-energiekvivalens :
Enligt Einsteins berömda ekvation, E =mc^2, är massa och energi ekvivalenta, och en liten mängd massa kan omvandlas till en stor mängd energi. I kärnreaktioner, när atomkärnor kombineras eller delas, sker en liten förändring i systemets totala massa. Denna massskillnad frigörs som energi, enligt mass-energiekvivalensprincipen.
2. Bindningsenergi :
Atomkärnor hålls samman av den starka kärnkraften, som är mycket starkare än den elektromagnetiska kraft som binder elektroner till kärnan. Den starka kraften är dock kortdistanserad och blir svagare när antalet protoner i en kärna ökar. Som ett resultat är tyngre kärnor mindre stabila och har lägre bindningsenergi per nukleon jämfört med lättare kärnor.
3. Kärnklyvning :
Vid kärnklyvning delas en tung kärna, som uran-235 eller plutonium-239, i två eller flera mindre kärnor. Denna process frigör en betydande mängd energi eftersom den totala bindningsenergin för de mindre kärnorna är större än den för den ursprungliga tyngre kärnan. Energiskillnaden frigörs i form av kinetisk energi från fissionsprodukterna och neutronerna.
4. Nukleär fusion :
Kärnfusion är processen att kombinera två eller flera lätta kärnor till en tyngre kärna. Denna process frigör också en betydande mängd energi eftersom den totala bindningsenergin för den tyngre kärnan är större än den för de individuella lättare kärnorna. Fusionsreaktioner är källan till energi i stjärnor, inklusive vår sol.
5. Kedjereaktioner :
I både fissions- och fusionsreaktioner kan kedjereaktioner uppstå, vilket leder till frigöring av enorm energi. I fissionsreaktioner kan neutroner som produceras i fissionsprocessen fortsätta att splittra andra klyvbara kärnor, vilket skapar en självuppehållande kedjereaktion. I fusionsreaktioner kan högenergiprodukterna från en fusionsreaktion initiera efterföljande fusionsreaktioner, vilket resulterar i en ihållande energifrisättning.
Energin som frigörs vid kärnreaktioner är storleksordningar större än den som frigörs vid kemiska reaktioner. Detta beror på att kärnreaktioner involverar förändringar i strukturen hos atomkärnor, medan kemiska reaktioner involverar förändringar i arrangemanget av elektroner. Den starka kärnkraften är mycket starkare än den elektromagnetiska kraften, vilket leder till att betydligt mer energi frigörs vid kärnreaktioner.
Potentialen för enorma energiutsläpp i kärnreaktioner har lett till utvecklingen av kärnkraftverk, som utnyttjar kontrollerade kärnklyvningskedjereaktioner för att generera elektricitet. Kärnfusion är fortfarande i experimentstadiet, men den har potential att tillhandahålla en praktiskt taget obegränsad källa till ren och säker energi.
