Cuando los nucleones (protones y neutrones) se unen para formar un núcleo atómico, se observa experimentalmente que la masa del núcleo formado es menor que la suma de las masas de los nucleones por separado. A esta diferencia se le denomina defecto de masa ($\Delta m$):

donde $Z$ es el número de protones, $N$ es el número de neutrones, $m_p$ es la masa del protón, $m_n$ es la masa del neutrón y $m_{\text{núcleo}}$ es la masa real del núcleo. El defecto de masa es siempre positivo, ya que el núcleo pesa menos que sus componentes libres.

Según la equivalencia masa-energía de Einstein, ese defecto de masa se ha convertido en energía al formarse el núcleo. A esta energía se le denomina energía de enlace nuclear ($E_b$), y representa la energía que fue liberada al unirse los nucleones para formar el núcleo, o equivalentemente, la energía mínima necesaria para separar completamente el núcleo en sus nucleones constituyentes.

donde $c = 3 \times 10^8 \ \text{m/s}$ es la velocidad de la luz en el vacío. Cuanto mayor es la energía de enlace, más estable es el núcleo, ya que se necesita más energía para desintegrarlo.

Para comparar la estabilidad de distintos núcleos se utiliza la energía de enlace por nucleón, definida como:

donde $A = Z + N$ es el número másico (número total de nucleones). Los núcleos con mayor energía de enlace por nucleón son los más estables. El máximo se alcanza en torno al hierro ($^{56}\text{Fe}$), con aproximadamente $8{,}8 \ \text{MeV/nucleón}$, lo que explica por qué los procesos de fusión (núcleos ligeros uniéndose) y fisión (núcleos pesados dividiéndose) liberan energía al aproximarse a esta región de máxima estabilidad.