Le noyau d’un atome est son noyau central, qui se compose d’un ou plusieurs protons et, à l’exception de la forme la plus légère de l’hydrogène, des neutrons également. Il n’y a aucune charge pour un neutron, pourtant quelque chose les empêche de glisser hors du noyau. De plus, chaque proton dans le noyau est chargé positivement ; ils devraient se repousser, vidant le noyau – une certaine énergie l’empêche également. Par définition, l’énergie qui maintient toutes ces particules dans le noyau est « l’énergie de liaison nucléaire ». Depuis qu’Einstein a découvert la relation mathématique qui assimile la matière à l’énergie – E = mc2, où E est l’énergie, m est la masse et c est la vitesse de la lumière – l’énergie de liaison nucléaire peut être calculée avec une relative facilité.
La masse dans le noyau provient de deux sources. L’un est la masse que chaque particule contiendrait si elle était isolée, sans charge ni interaction gravitationnelle. La deuxième source de masse est l’augmentation directement attribuable à l’énergie de liaison nucléaire. Ces deux sources donnent lieu à l’équation m(t) = m(fp) + m(nbf), où t signifie total, fp signifie particule libre et nbf signifie force de liaison nucléaire. Puisqu’il n’y a pas d’énergie négative, la masse attribuable à l’énergie de liaison nucléaire doit être positive et l’énergie d’un noyau total, supérieure à la somme de ses neutrons et de ses protons.
En insérant cette forme de la masse dans l’équation originale, l’énergie totale d’un noyau est E(t) = m(t)c2. Le développement complet de cette équation donne E(t) = (m(fp) + m(nbf))c2. En multipliant cela donne E(t) = m(fp)c2 + m(nbf)c2. Maintenant, si l’énergie attribuable aux particules individuelles isolées est soustraite, cette équation se réduit à E(t) – E(fp) = E = m(nbf)c2, où ΔE est l’augmentation d’énergie au-dessus de celle des particules libres – le énergie de liaison nucléaire.
La fission nucléaire, ou la division du noyau atomique pour produire des atomes plus petits, dont chacun a sa propre énergie de liaison, est d’une importance particulière pour la conception et l’exploitation des centrales électriques. L’énergie de liaison des atomes résultants, soustraite de l’énergie de liaison des atomes de départ, donne le rendement net qui est appliqué de manière constructive ou destructive. Les utilisations constructives de cette énergie nucléaire incluent la production d’électricité, représentant près d’un cinquième de toute l’énergie électrique aux États-Unis et plus des trois quarts de l’énergie utilisée en France.