El núcleo de un átomo es su núcleo central, que consta de uno o más protones y, con la excepción de la forma más ligera de hidrógeno, también de neutrones. Un neutrón no tiene carga, pero algo evita que se salga del núcleo. Además, cada protón dentro del núcleo está cargado positivamente; deben repelerse entre sí, vaciando el núcleo; algo de energía también lo previene. Por definición, la energía que mantiene todas estas partículas dentro del núcleo es la «energía de enlace nuclear». Dado que Einstein descubrió la relación matemática que equipara la materia con la energía – E = mc2, donde E es la energía, m es la masa yc es la velocidad de la luz – la energía de enlace nuclear puede calcularse con relativa facilidad.
La masa dentro del núcleo proviene de dos fuentes. Una es la masa que contendría cada partícula si estuviera aislada, libre de cargas o interacciones gravitacionales. La segunda fuente de masa es el aumento directamente atribuible a la energía de enlace nuclear. Estas dos fuentes dan lugar a la ecuación m (t) = m (fp) + m (nbf), donde «t» representa el total, «fp» representa la partícula libre y «nbf» representa la fuerza de unión nuclear. Dado que no existe la energía negativa, la masa atribuible a la energía de enlace nuclear debe ser positiva y la energía de un núcleo total, mayor que la suma de sus neutrones y sus protones.
Al insertar esta forma de masa en la ecuación original, la energía total de un núcleo es E (t) = m (t) c2. Al expandir esta ecuación por completo, se obtiene E (t) = (m (fp) + m (nbf)) c2. Al multiplicar esto, se obtiene E (t) = m (fp) c2 + m (nbf) c2. Ahora, si se resta la energía atribuible a las partículas individuales aisladas, esa ecuación se reduce a E (t) – E (fp) = ΔE = m (nbf) c2, donde ΔE es el aumento de energía por encima del de las partículas libres – el energía de enlace nuclear.
La fisión nuclear, o la división del núcleo atómico para producir átomos más pequeños, cada uno de los cuales tiene su propia energía de enlace, es de particular importancia para el diseño y el funcionamiento de las centrales eléctricas. La energía de enlace de los átomos resultantes, restada de la energía de enlace de los átomos de partida, da el rendimiento neto que se aplica de forma constructiva o destructiva. Los usos constructivos de esta energía nuclear incluyen la producción de electricidad, que mide casi una quinta parte de toda la energía eléctrica en los Estados Unidos y más de las tres cuartas partes de la energía utilizada en Francia.