Il nucleo di un atomo è il suo nucleo centrale, che consiste di uno o più protoni e, con l’eccezione solo della forma più leggera di idrogeno, anche di neutroni. Non c’è carica per un neutrone, eppure qualcosa impedisce loro di scivolare fuori dal nucleo. Inoltre, ogni protone all’interno del nucleo è caricato positivamente; dovrebbero respingersi l’un l’altro, svuotando il nucleo – un po’ di energia impedisce anche questo. Per definizione, l’energia che mantiene tutte queste particelle all’interno del nucleo è “l’energia di legame nucleare”. Dal momento che Einstein ha scoperto la relazione matematica che identifica la materia con l’energia – E = mc2, dove E è l’energia, m è la massa ec è la velocità della luce – l’energia di legame nucleare può essere calcolata con relativa facilità.
La massa all’interno del nucleo proviene da due fonti. Uno è la massa che ogni particella conterrebbe se fosse isolata, priva di cariche o interazioni gravitazionali. La seconda fonte di massa è l’aumento direttamente attribuibile all’energia nucleare di legame. Queste due sorgenti danno origine all’equazione m(t) = m(fp) + m(nbf), dove “t” sta per totale, “fp” sta per particella libera e “nbf” sta per forza di legame nucleare. Poiché non esiste l’energia negativa, la massa attribuibile all’energia di legame nucleare deve essere positiva e l’energia di un nucleo totale, maggiore della somma dei suoi neutroni e dei suoi protoni.
Inserendo questa forma della massa nell’equazione originale, l’energia totale di un nucleo è E(t) = m(t)c2. Espandendo completamente questa equazione si ottiene E(t) = (m(fp) + m(nbf))c2. Moltiplicando questo risultato si ottiene E(t) = m(fp)c2 + m(nbf)c2. Ora, se si sottrae l’energia attribuibile alle singole particelle isolate, tale equazione si riduce a E(t) – E(fp) = ΔE = m(nbf)c2, dove ΔE è l’aumento di energia al di sopra di quello delle particelle libere – il energia di legame nucleare.
La fissione nucleare, o la scissione del nucleo atomico per produrre atomi più piccoli, ognuno dei quali ha la propria energia di legame, è di particolare importanza per la progettazione e il funzionamento delle centrali elettriche. L’energia di legame degli atomi risultanti, sottratta dall’energia di legame degli atomi di partenza, fornisce la resa netta che viene applicata in modo costruttivo o distruttivo. Gli usi costruttivi di questa energia nucleare includono la produzione di elettricità, che misura quasi un quinto di tutta l’energia elettrica negli Stati Uniti e più di tre quarti dell’energia utilizzata in Francia.