Nucleul unui atom este nucleul său central, care constă din unul sau mai mulți protoni și, cu excepția doar a formei celei mai ușoare de hidrogen, și neutroni. Nu există nicio încărcare pentru un neutron, dar ceva îi împiedică să alunece din nucleu. În plus, fiecare proton din nucleu este încărcat pozitiv; ar trebui să se respingă unul pe celălalt, golind nucleul – ceva energie împiedică acest lucru, de asemenea. Prin definiție, energia care păstrează toate aceste particule în nucleu este „energia de legare nucleară”. Deoarece Einstein a descoperit relația matematică care echivalează materia cu energia – E = mc2, unde E este energia, m este masa și c este viteza luminii – energia de legare nucleară poate fi calculată cu relativă ușurință.
Masa din nucleu provine din două surse. Una este masa pe care ar conține fiecare particulă dacă ar fi izolată, fără sarcină sau interacțiuni gravitaționale. A doua sursă de masă este creșterea direct atribuită energiei de legare nucleară. Aceste două surse dau naștere ecuației m(t) = m(fp) + m(nbf), unde „t” înseamnă total, „fp” înseamnă particule libere și „nbf” reprezintă forța de legare nucleară. Deoarece nu există energie negativă, masa atribuibilă energiei de legare nucleară trebuie să fie pozitivă, iar energia unui nucleu total, mai mare decât suma neutronilor săi și a protonilor săi.
Introducând această formă a masei în ecuația originală, energia totală a unui nucleu este E(t) = m(t)c2. Extinderea completă a acestei ecuații dă E(t) = (m(fp) + m(nbf))c2. Înmulțind aceasta rezultă E(t) = m(fp)c2 + m(nbf)c2. Acum, dacă energia atribuită particulelor individuale izolate este scăzută, acea ecuație se reduce la E(t) – E(fp) = ΔE = m(nbf)c2, unde ΔE este creșterea energiei peste cea a particulelor libere – energie nucleară de legare.
Fisiunea nucleară sau divizarea nucleului atomic pentru a produce atomi mai mici, fiecare având propria sa energie de legare, este de o importanță deosebită pentru proiectarea și funcționarea centralelor electrice. Energia de legare a atomilor rezultanți, scăzută din energia de legare a atomilor de pornire, dă randamentul net care este aplicat fie constructiv, fie distructiv. Utilizările constructive ale acestei energii nucleare includ producția de energie electrică, măsurând aproape o cincime din toată energia electrică din Statele Unite și mai mult de trei sferturi din energia utilizată în Franța.