$E=mc^{2}$ (Einstein): massa e energia são equivalentes, e reações nucleares envolvem defeito de massa mensurável — a massa dos produtos é ligeiramente menor que a dos reagentes, e a diferença converte-se em energia liberada, ordens de grandeza maior que em reações químicas.
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A chave para entender a equivalência massa-energia é perceber que a massa de um sistema não é a soma das massas das partículas isoladas: quando núcleons se ligam, parte da massa “desaparece” como energia de ligação, dada por $E = \Delta m\,c^{2}$. O defeito de massa $\Delta m$ é, portanto, a energia necessária para desmontar o núcleo dividida por $c^{2}$; como $c^{2}\approx 9\times10^{16}\ \text{J/kg}$, basta uma fração ínfima de massa para liberar energia enorme.
Energia de ligação nuclear
Energia necessária para separar um núcleo em seus núcleons constituintes; quanto maior a energia de ligação por núcleon, mais estável o núcleo. Essa energia por núcleon é máxima para elementos de massa intermediária (próximo ao ferro), o que explica por que tanto fissão de pesados quanto fusão de leves liberam energia.
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A energia de ligação nuclear nasce do defeito de massa: a massa do núcleo pronto é sempre menor que a soma das massas dos prótons e nêutrons separados, e essa diferença vira energia segundo $E=\Delta m\,c^2$. No ferro-56, por exemplo, o defeito de massa é de cerca de 0,53 u por núcleo, o que corresponde a aproximadamente 8,8 MeV por núcleon — um dos maiores valores da tabela periódica. Imagine juntar 26 prótons e 30 nêutrons: a massa final é menor e a energia sobressalente é liberada como radiação gama ou calor. O gráfico da energia de ligação por núcleon contra o número de massa sobe rápido entre os núcleos leves, atinge o pico perto do ferro e cai suavemente para os pesados, como o urânio-235 (cerca de 7,6 MeV por núcleon).
Essa curva explica tudo: se um núcleo pesado se divide em dois fragmentos médios, os produtos ficam mais ligados e liberam energia; se núcleos leves como o deutério e o trítio se fundem em hélio, também sobem a curva e liberam energia. Na prática, no reator de Angra 2, a fissão do urânio libera cerca de 200 MeV por evento, enquanto a fusão deutério-trítio rende 17,6 MeV, mas com reação por núcleon muito maior.
Dominar essa curva, portanto, é o que permite prever o sentido energético de qualquer reação nuclear sem decoreba, ligando o conceito à aplicação tecnológica e à questão ambiental.
Fissão nuclear
Núcleo pesado (ex. urânio-235) se divide em dois núcleos menores ao absorver um nêutron, liberando energia e novos nêutrons capazes de manter uma reação em cadeia — princípio de reatores nucleares e da bomba atômica.
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A fissão nuclear é o processo pelo qual um núcleo instável e pesado, ao absorver um nêutron lento (térmico), deforma-se até se romper em dois fragmentos — que podem ter massas comparáveis, embora com frequência sejam assimétricos, como no caso clássico do urânio-235, cuja divisão típica gera criptônio-92 e bário-141, além de 2 ou 3 nêutrons rápidos e cerca de 200 MeV de energia, liberada sob a forma de energia cinética dos fragmentos e radiação gama. A origem dessa energia está no defeito de massa: a soma das massas dos produtos é ligeiramente menor que a do núcleo original mais o nêutron absorvido, e essa diferença se converte em energia segundo E = mc².
Para que a reação em cadeia se sustente, é preciso que ao menos um dos nêutrons emitidos provoque nova fissão, o que depende de fatores como massa crítica, geometria do material, presença de moderador (água leve, água pesada ou grafita) para reduzir a velocidade dos nêutrons e de material refletor; em reatores, barras de controle de boro ou cádmio absorvem nêutrons excedentes para manter a criticidade estável, enquanto na bomba atômica a criticidade é levada ao extremo de forma descontrolada.
Fusão nuclear
Dois núcleos leves (ex. isótopos de hidrogênio) se combinam formando um núcleo mais pesado, liberando ainda mais energia por unidade de massa que a fissão. É o processo que ocorre no interior das estrelas, incluindo o Sol, e o objetivo de reatores experimentais de fusão controlada.
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A fusão nuclear é possível porque a energia de ligação por núcleon cresce rapidamente da esquerda para a direita na tabela periódica até atingir um máximo no ferro-56; assim, quando núcleos muito leves se unem para formar um núcleo de massa intermediária, a diferença de massa (defeito de massa) se converte em energia segundo E = Δm·c², liberando tipicamente alguns MeV por reação. O exemplo clássico é a cadeia próton-próton no Sol: dois prótons se fundem formando deutério, com emissão de pósitron e neutrino; o deutério captura outro próton gerando hélio-3; dois hélio-3 se combinam produzindo hélio-4 e devolvendo dois prótons, num saldo líquido de 4 prótons → ¹He⁴ + 2e⁺ + 2ν + energia.
Em reatores experimentais, como o ITER, busca-se a fusão deutério-trítio (D + T → ⁴He + n), que tem a menor barreira coulombiana e a maior seção de choque, mas exige temperaturas da ordem de 10⁸ K para vencer a repulsão eletrostática e confinamento (magnético no tokamak ou inercial por laser).