从日常生活中我们知道，蒸汽凝结时要放出热量，水分子结冰时也要放出热量，这些热量就是它们的分子之间互相结合时放出的「结合能，binding energy」。按照爱因斯坦 (Einstein )质能关系式，这些结合过程也要发生质量亏损，但比化学反应释放的能量还是低得多，所以亏损的质量根本无法察觉。而化学反应所释放的能量，主要来源于把原子保持在分子中的力，当两个以上原子合拢在一起组成分子时，将组成共同的电子云把分子中的所有原子核笼罩在一起，与此同时释放出能量，通常称为化学「结合能」。
特别是质量大的原子核，它们聚拢着为数众多的核子，例如铀238(²³⁸₉₂U)，有 92 个质子和 146 个中子，彼此居然能挤成一团且在核内排列得如此紧密，也不因为质子间的静电排斥力而飞散开，从而造成极大的核密度。那么核子之间到底是一种什么样的力把它们连接在一起呢？一般我们知道，除了质子之间的「静电斥力」外，还有核子相互之间的「万有引力」，但我们知道质子和中子的质量是那样微小，其万有引力是微不足道的，可忽略不计。如果原子核内再没有其他的力，那么比万有引力强 倍的电磁力，将使原子核的质子向四面八方飞散。然而，事实恰恰相反，各种元素的原子核在自然界中都能稳定地存在着，质子不仅没有飞出核外，反而和其他质子、中子相互结合得很紧密，这就意味着核子之间还有一种远比电磁力强得多的吸引力。这种力称为「强作用力」，是一种特别强大的短程作用力，是目前所知道最强大的作用力。
说得具体一些，我们可以有两种利用核能的途径。一种是把一个重核分裂成两个中等核，这个重核的每个核子就要继续发生质量亏损而放出能量。例如，将铀核用中子轰击裂变成钡和氪，
裂变前铀核的比结合能为 7.6 MeV，而裂变后的中等核的比结合能为 8.5 MeV，两者相差 0.9 Mev。铀核有 235 个核子，则总的能量差值就有 0.9×235 = 211.5 MeV。由于裂变时还要放出中子，除去这部分能量外，也可得到 200 MeV的裂变能。这种方法称为「核裂变法」。
核裂变原理
无论是核裂变还是核聚变，都是原子核内部的质子和中子发生了变化，两者都能产生巨大的能量，所不相同的是重元素的裂变是受到中子轰击后，重元素原子核裂变成 2-3 个比较轻的原子核，并释放多余的中子，这些中子在撞击其他原子核后将引起心的裂变，这就是「链式反应」的来源。在重原子核裂变成较轻的原子核过程中，将会丢失部分质量，裂变的巨大能量就是从这丢失的质量中转换而来的。
核裂变是指由重的原子核（主要是指铀核或钚核）分裂成两个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。
另一种是把两个轻核聚合成比较重的核，每个轻核的核子都要继续发生质量亏损而放出能量。例如，将氘和氚在特定条件下聚合成氦核并放出一个中子。氦核的比结合能是 7.08 MeV，氘和氚的比结合能都小得多，它们要成为氦的成员，每个核子都要继续亏损一部分质量，达到氦核的比结合能水平，其结果可得到 17.6 MeV的能量。这个反应中每个核子平均放出的能量，比裂变能要大几倍。这种方法称为「核聚合法」。
核聚变原理
而核聚变则首先需要输入强大的能量或者极高的压力，让原子核抛弃电子，才能和邻近的原子核靠得更近，就会有更多的机会融合到一起，形成重原子核。当然在这个过程中也会释放多余的中子（有的则刚好没有），它们也不出意外的会丢失部分质量，比例约为 0.7%，比核裂变的比例要高得多。
核聚变，即轻原子核（例如氘和氚）结合成较重原子核（例如氦）时放出巨大能量。
注：
原子核是由 2 个质子和 2 个中子组成，它的质量亏损如图 1 所示（图中 u 是原子质量单位，p 代表质子，n 代表中子）：
氦核的质量亏损
按照 Einstein 的质能关系式计算，氦核放出的结合能：
△E=△mc²=28.30MeV
科学家把这种由核子结合成原子核时所放出的能量叫做核的「总结合能」。如上所说氦核的总结合能就是 28.30 MeV。核子数越多，原子核越大，总结合能也越大，但这个量值不好比较，为了比较各种原子核结合的紧密程度，采用每个核子的「平均结合能」更方便。平均结合能也称「比结合能」，其数值可用总结合能除以原子核的核子个数 A（质量数）得出。如上面氦原子核的平均结合能是 28.30/4＝7.085 MeV。实验测定氦相邻的锂原子核的平均结合能小于 6 MeV，比结合能小些，说明锂核比氦核结合得松一些。
科学家们利用质谱仪对各种元素的质量精确测定后，就能从质量亏损算出不同原子核的总结合能。由总结合能除以该元素的质量数 A 就得出“比结合能”。绘制成曲线如图 。
核的比结合能曲线
图中横坐标从 A＝25 以后画得密些，因为曲线变化平滑。从图中可以看出，质量数少于 20 的核，它们的比结合能的变化比较复杂，并出现了几个值得注意的峰值。其中氦、碳、氮和氧的比结合能峰值分别为 7.08，7.69，7.48 和 7.98 MeV。相反，锂和氘的比结合能都很小，分别为 5.34 和 1.12 MeV。随着质量数的增加，在 40～100 之间的最大比结合能约为 8.7 MeV。A 再大时，比结合能又逐渐下降，直到铀核以后为 7.6 MeV左右。
比结合能曲线图也反应不同原子核内，每个核子的平均质量各不相同。它的变化规律刚好和比结合能曲线相反。因为比结合能小的，表明结合时质量亏损少，所以每个核子剩下的质量就多。例如氘核，比结合能最小，它的每个核子的平均质量就最大。结合前质子和中子的平均质量为 1.0080u，结合后核子平均质量还有 1.0068u，平均每个核子只亏损了 0.0012u，所以放出比结合能 1.12 MeV。由此可知，核的比结合能曲线是很有用的。从它可以看出原子核的许多性质，从它可以找到释放核能的方法，还可以计算出大概可以得到多少能量。
核裂变和核聚变的结合能变化。反应后转化成的核的结合能小于反应前核的结合能。无论聚变还是裂变，因为反应中有核能放出，根据爱因斯坦质能方程知，反应中有质量亏损，反应后转化成的核的总质量小于反应前核的总质量，反应后转化成的核的比结合能大于反应前核的比结合能。