I 1905 utledet Albert Einstein den berømte likningen E=mc^2E=mc2E=mc^2. I denne likningen står EEE  for hvileenergien, mmm for massen, og ccc for lysfarten. Det vi tydelig ser av denne likningen er at det er en helt klar sammenheng mellom energi og masse. Einstein beviste også matematisk at masse kan konverteres til energi, og at energi kan konverteres til masse. Denne nære sammenhengen mellom energi og masse danner selve grunnlaget for radioaktive prosesser, og kjernefysiske reaksjoner. 

Massen til en atomkjerne er alltid litt mindre enn massen til nukleonene som utgjør kjernen lagt sammen. For eksempel vil to nøytroner og to protoner til sammen veie mer enn en vanlig heliumkjerne. Dette kan virke rart - det virker jo nesten som om masse har forsvunnet! Den massen som tilsynelatende er til overs, kaller vi massedefekten. Selv om det kan virke slik, forsvinner den ikke - den konverteres til energi. Denne energimengden er det som står for bindingsenergien i kjernen, og sørger for å holde nukleonene sammen. Ifølge Einsteins energilikning, vil denne bindingsenergien tilsvare massedefekten multiplisert med lysfarten opphøyd i andre.

Grafen viser oss at bindingsenergien per nukleon avtar i takt med økende atomnummer etter jern. De største kjernene vil derfor holdes dårligere sammen enn de små, noe som fører til at nukleonene kommer lenger fra hverandre. Nukleonene holdes sammen av den sterke kjernekraften, men bare på veldig korte avstander. Denne kraften er grunnen til at protonene i kjernen ikke frastøter hverandre slik som like poler på magneter. Men, den sterke kjernekraften  virker bare på svært korte avstander, og når størrelsen på atomkjernen øker, vil det bli vanskelig for den sterke kjernekraften å holde nukleonene sammen. Det kan nemlig bli vanskelig å unngå at den elektromagnetiske kraften virker mellom protonene og støter dem fra hverandre. For kjernene er det energimessig fordelaktig å ha omtrent like mange protoner som nøytroner. Kjerner med atomnummer høyere enn 30 har likevel behov for flere nøytroner enn protoner for å hindre protonene å frastøte hverandre. Derfor vil ikke antall nøytroner og protoner være likt til enhver tid. Dette fører til at atomkjernen blir ustabil, og kan spontant sende ut en partikkel, eller dele seg (fisjon) for å prøve å nå en stabil tilstand. Denne labiliteten gir opphav til det vi kaller radioaktiv stråling, og nuklider som sender ut radioaktiv stråling kaller vi radioaktive stoffer.

Radioaktive prosesser

Radioaktive stoffer vil sende ut radioaktiv stråling. Det er tre forskjellige slike radioaktive prosesser: 

Alfa-stråling: utsendelse av en heliumkjerne
^{241}_{\,\,95} \text{Am} \enspace \to \enspace ^{237}_{\,\,93}\text{Np} + ^{4}_{2}\text{He}  95241Am→  93237Np+24He^{241}_{\,\,95} \text{Am} \enspace \to \enspace ^{237}_{\,\,93}\text{Np} + ^{4}_{2}\text{He}

Beta-stråling: utsendelse av et elektron og et anti-elektronnøytrino. Her blir et nøytron omdannet til et proton og et elektron. I tillegg sendes alltid et anti-elektronnøytrino ut. 

{^{1}_{0}\text{ n}} \enspace \to \enspace {^{1}_{1}\text{ p}} + {^{\,\,0}_{-1}\text{ e}} + {\overline{v}_e} 01 n→11 p+−1  0 e+v‾e{^{1}_{0}\text{ n}} \enspace \to \enspace {^{1}_{1}\text{ p}} + {^{\,\,0}_{-1}\text{ e}} + {\overline{v}_e}

Gamma-stråling:  Etter en kjerne har sendt ut en alfa- eller beta-partikkel kan kjernen være i eksitert tilstand, altså at den er blitt tilført energi. Her vil den imidlertid ikke befinne seg lenge, fordi den alltid vil søke seg ned mot grunntilstanden. Da vil den eksiterte kjernen kvitte seg med den overflødige energien ved å sende ut, eller emittere, et foton med svært høy energi, en gammapartikkel.

{^{14}_{\,\,6}\text{C}} \enspace \to \enspace {^{14}_{\,\,7}\text{N}^{*}} + {^{\,\,0}_{-1}e} + {\overline{v}_e}   614C→  714N∗+−1  0e+v‾e{^{14}_{\,\,6}\text{C}} \enspace \to \enspace {^{14}_{\,\,7}\text{N}^{*}} + {^{\,\,0}_{-1}e} + {\overline{v}_e}{^{14}_{\,\,7}\text{N}^{*}} \enspace \to \enspace {^{14}_{\,\,7}\text{N}} + \gamma  714N∗→  714N+γ{^{14}_{\,\,7}\text{N}^{*}} \enspace \to \enspace {^{14}_{\,\,7}\text{N}} + \gamma

Fusjon og Fisjon 

Figur 3 viser i bunn og grunn de samme variasjonene for nuklidene som figur 2. Istedenfor å vise bindingsenergien per nukleon som en funksjon av nukleontallet, viser denne grafen imidlertid massen per nukleon som en funksjon av nukleontallet. Følgelig vil disse grafene se påfallende like ut, ettersom massedefekten som utgjør bindingsenergien kommer til uttrykk i begge fremstillingene. 

Denne figuren egner seg godt til å forklare hvorfor fusjoner og fisjoner kan gi en reaksjonsenergi.

Isotoper av et grunnstoff er atomer med likt antall protoner i kjernen, men forskjellig antall nøytroner i kjernen. For eksempel er protium, deuterium og tritium tre isotoper av hydrogen, med henholdsvis 0,1 og 2 nøytroner i tillegg til det ene protonet som gjør atomet til hydrogen.

I fusjonen mellom hydrogenisotopene deuterium og tritium, vil vi få dannet en heliumkjerne og et nøytron:

{^{2}_{1}\text{H}} + {^{3}_{1}\text{H}} \enspace \to \enspace {^{4}_{2}\text{He}} + {^{1}_{0}\text{n}}12H+13H→24He+01n{^{2}_{1}\text{H}} + {^{3}_{1}\text{H}} \enspace \to \enspace {^{4}_{2}\text{He}} + {^{1}_{0}\text{n}}

Dersom vi summerer massen til produktene, og deretter trekker dette fra summen av massen til reaktantene, vil det være intuitivt å tenke at differansen blir lik 0. Dette stemmer dog ikke - her får vi et massesvinn. Massen som tilsynelatende “forsvinner”, konverteres til energi i henhold til Einsteins likning - på samme måte som at massedefekten konverteres til bindingsenergi. Det samme kan vi se ut i fra grafen i figur 3.

Når et nøytron sendes mot Uran-235, vil vi få Uran-236 - en særdeles ustabil nuklide som raskt vil fisjonere. Man kan betrakte det siste nøytronet som absorberes som dråpen som får begeret til å renne over. Summen av massen til produktene er også her lavere enn summen av massen til reaktantene - vi har et massesvinn.

{^{1}_{0}\text{n}} + {^{235}_{\,\,92}\text{U}} \to {^{236}_{\,\,92}\text{U}} \to \,{^{89}_{36}\text{Kr}} + {^{144}_{\,\,56}\text{Ba}} + 3{^{1}_{0}\text{n}}01n+  92235U→  92236U→ 3689Kr+  56144Ba+301n{^{1}_{0}\text{n}} + {^{235}_{\,\,92}\text{U}} \to {^{236}_{\,\,92}\text{U}} \to \,{^{89}_{36}\text{Kr}} + {^{144}_{\,\,56}\text{Ba}} + 3{^{1}_{0}\text{n}}

Av figur 3 ser vi at store kjerner til høyre for jern kan fisjonere til 2 eller flere mindre nuklider og på denne måten få et massesvinn. Vi ser også at kjerner med lavere nukleontall enn jern kan fusjonere til én litt større kjerne og på denne måten få et massesvinn. 

Massesvinnet i både fusjonen og i fisjonen vil utgjøre det vi kaller reaksjonsenergien - det er snakk om relativt store mengder bindingsenergi som frigjøres. Denne energien går for eksempel til elektromagnetisk stråling, eller økt kinetisk energi for produktene, og vi beregner den ved hjelp av Einsteins formel: E_r = m_sc^2Er=msc2E_r = m_sc^2

m_s msm_s beregner vi ved hjelp av denne formelen: m_s = m_{\text{reaktanter}} - m_{\text{produkter}}ms=mreaktanter−mprodukterm_s = m_{\text{reaktanter}} - m_{\text{produkter}}

Det er denne energien vi er ute etter å utnytte i kjernekraftverk.