Cuando se forma un núcleo atómico a partir de sus nucleones (protones y neutrones) libres, se observa experimentalmente que la masa del núcleo formado es menor que la suma de las masas individuales de los nucleones que lo constituyen. 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 no desaparece: se convierte en energía según la equivalencia masa-energía de Einstein. Es precisamente esta energía la que mantiene unidos a los nucleones dentro del núcleo.

Mediante la relación de equivalencia masa-energía de Einstein, el defecto de masa $\Delta m$ se corresponde con una energía denominada energía de enlace ($E_b$), que representa la energía necesaria para separar completamente todos los nucleones del núcleo:

La energía de enlace por nucleón es el cociente entre la energía de enlace total y el número másico $A = Z + N$ (número total de nucleones):

Esta magnitud es una medida de la estabilidad del núcleo: cuanto mayor es la energía de enlace por nucleón, más estable es el núcleo. Los núcleos con mayor estabilidad (como el hierro-56, $^{56}$Fe) presentan los valores más elevados de energía de enlace por nucleón (aproximadamente 8,8 MeV/nucleón). Los núcleos muy ligeros (como el hidrógeno) o muy pesados (como el uranio) tienen menor energía de enlace por nucleón, lo que explica que tanto la fisión nuclear (ruptura de núcleos pesados) como la fusión nuclear (unión de núcleos ligeros) sean procesos que liberan energía.