随着原子序数的增大，平均核子（质子和中子的统称）质量会经历先减小后增大的变化，而核反应就是通过核子重新组合使得平均核子质量减少。因此，核反应包括重核裂变与轻核聚变。根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2（即产生的能量等于减小的质量乘以光速的平方），重核裂变与轻核聚变过程都因伴随着质量亏损而释放巨大的结合能，相比之下核聚变反应释放更多的结合能。由于光速平方是个极大的系数，因此很小的质量亏损便可释放惊人的能量，这便是核能能量密度惊人的内在原因。