Der Kern eines Atoms ist sein zentraler Kern, der aus einem oder mehreren Protonen und, mit Ausnahme der leichtesten Form von Wasserstoff, auch Neutronen besteht. Ein Neutron hat keine Ladung, aber etwas verhindert, dass es aus dem Kern rutscht. Außerdem ist jedes Proton im Kern positiv geladen; sie sollten sich gegenseitig abstoßen und den Kern entleeren – auch dies verhindert eine gewisse Energie. Per Definition ist die Energie, die all diese Teilchen im Kern hält, die „nukleare Bindungsenergie“. Da Einstein die mathematische Beziehung entdeckt hat, die Materie mit Energie gleichsetzt – E = mc2, wobei E die Energie, m die Masse und c die Lichtgeschwindigkeit ist – kann die Kernbindungsenergie relativ einfach berechnet werden.
Die Masse im Kern kommt aus zwei Quellen. Einer ist die Masse, die jedes Teilchen enthalten würde, wenn es isoliert, frei von Ladung oder Gravitationswechselwirkungen wäre. Die zweite Massenquelle ist die direkt auf die nukleare Bindungsenergie zurückzuführende Zunahme. Aus diesen beiden Quellen ergibt sich die Gleichung m(t) = m(fp) + m(nbf), wobei „t“ für total, „fp“ für freies Teilchen und „nbf“ für Kernbindungskraft steht. Da es keine negative Energie gibt, muss die der Kernbindungsenergie zuzurechnende Masse positiv und die Energie eines Gesamtkerns größer sein als die Summe seiner Neutronen und seiner Protonen.
Setzt man diese Form der Masse in die ursprüngliche Gleichung ein, beträgt die Gesamtenergie eines Kerns E(t) = m(t)c2. Die vollständige Erweiterung dieser Gleichung ergibt E(t) = (m(fp) + m(nbf))c2. Ausmultiplizieren ergibt E(t) = m(fp)c2 + m(nbf)c2. Wenn nun die den isolierten Einzelteilchen zuzuschreibende Energie abgezogen wird, reduziert sich diese Gleichung auf E(t) – E(fp) = ΔE = m(nbf)c2, wobei ΔE die Zunahme der Energie über die der freien Teilchen ist – die nukleare Bindungsenergie.
Von besonderer Bedeutung für die Auslegung und den Betrieb von Kraftwerken ist die Kernspaltung oder die Aufspaltung des Atomkerns in kleinere Atome mit jeweils eigener Bindungsenergie. Die Bindungsenergie der resultierenden Atome, abgezogen von der Bindungsenergie der Ausgangsatome, ergibt die Nettoausbeute, die entweder konstruktiv oder destruktiv angewendet wird. Zu den konstruktiven Nutzungen dieser Kernenergie gehört die Stromerzeugung, die fast ein Fünftel der gesamten elektrischen Energie in den Vereinigten Staaten und mehr als drei Viertel der in Frankreich verbrauchten Energie ausmacht.