Veamos ahora al problema de cómo afecta la composición del núcleo a su estabilidad. Las fuerzas que existen entre las partículas del núcleo son muy grandes. Las más conocidas de las fuerzas intranucleares es la fuerza de repulsión de Coulomb que los protones experimentan entre sí. Para apreciar la magnitud de esta fuerza de repulsión, comparemos la fuerza entre dos protones cuando estén separados a 10-8 cm, como cuando están en una molécula de Hidrógeno, con la fuerza entre dos protones separados por 10-13cm, como están en un núcleo de Helio. Para el primer caso tenemos:
Donde e es la carga eléctrica de un protón. Para el segundo caso tenemos:
Comparando los dos resultados podemos ver que la fuerza de repulsión entre dos protones en el núcleo es millones de veces mayor que la fuerza entre dos protones de una molécula de hidrógeno. Para sustentar estas enormes repulsiones coulombianas intranucleares y mantener los núcleos unidos, es preciso que existan entre los nucleones fuerzas atractivas muy fuertes. Aunque no se tienen aún muy claras la naturaleza de estas fuerzas y ello constituye uno de los mayores problemas para la física.
Es relativamente fácil resumir la dependencia de la estabilidad nuclear (y por lo tanto de las fuerzas atractivas nucleares) del número de protones y neutrones del núcleo. Para átomos con un número atómico menor a 20, los núcleos son más estables que aquellos con números atómicos de entre 20 y 83, los núcleos más estables tienen más neutrones que protones. Para los átomos con un número atómico mayor que 83, no existe ningún núcleo que se pueda considerar estable en el sentido de nuestra definición.
Las energías asociadas con las reacciones nucleares se pueden examinar con la famosa ecuación de Einstein que relaciona la masa con la energía; E = mc2. En esta ecuación, E representa la energía, m representa la masa y c representa la velocidad de la luz; aprox.3.00. 108m/s. Esta ecuación afirma que la masa y la energía de un cuerpo son directamente proporcionales. Si un cuerpo pierde masa, pierde energía (exotérmica); si gana masa, gana energía (endotérmica). Por ser la constante de proporcionalidad de la ecuación, c2, un número tan grande que incluso pequeños cambios de masa van acompañados de grandes cambios de energía. Los cambios de masa en las reacciones químicas son demasiado pequeñas como para detectarla con facilidad. Por ejemplo; los cambios de masa asociados a la combustión de un mol de CH4 (un proceso exotérmico) es de 9,9 .10-9 g. Debido a que el cambio de masa es tan pequeño, es posible hablar de conservación de la masa en las reacciones químicas.
Los cambios de masa y energía asociados a las reacciones nucleares son mucho mayores que los de las reacciones químicas. Por ejemplo; los cambios de masa que acompañan la desintegración radiactiva de un mol de uranio-238 es muchas veces más grande que la combustión de un mol de CH4. Examinaremos el cambio de energía de esta reacción
238U 
234Th + 4He
Los núcleos de esta reacción tienen las siguientes masas: 238U, 238.0003 uma; 234Th, 233.9942 uma He, 4.0015 uma. El Dm se define como la masa total de los productos menos la masa total de los reactivos. El cambio de masa para la desintegración de un mol de uranio-238 se puede expresar por lo tanto en gramos:
233.9942g + 4.0015g – 238.0003g = -0.0046g
El hecho de que en el sistema se ha perdido masa indica que es un proceso exotérmico.
Todas las reacciones nucleares espontáneas son exotérmicas.
El cambio de energía por mol asociado a esta reacción se puede calcular usando las ecuaciones de ecuaciones de Einstein:
ΔE = Δ(mc2) = c2Δm
ΔE = (3,00 .108)2(-0,0046g)(1Kg/1000g) = -4,1 .1011J
Para el cálculo de cambio de masa en una reacción nuclear, por lo general es aceptable el uso de la masa del átomo que contienen los átomos de interés, porque el número de electrones en los productos es ordinariamente el mismo. Por tanto, la diferencia de las masas atómicas es por lo general la misma que la diferencia de masas nucleares.
Durante la década de los 30 los científicos descubrieron que la masa de los núcleos es siempre menor que la suma de la masa de los nucleones individuales de los que se componen. Por ejemplo, el núcleo de He tienen una masa de 4,0015 uma. La masa de un protón es de 1,00867uma. Por consiguiente dos protones y dos neutrones tienen una masa total de Helio-4;
Masa de 2 protones y dos neutrones = 4,03190uma
Masa de un núcleo de He = 4.00150uma
Δm= 0.03040uma
La diferencia de masa entre un núcleo y los nucleones que los constituyen se llaman defecto de masa. El origen del defecto de masa se entiende fácilmente si consideramos que se debe agregar energía a un núcleo para separarlo en protones y neutrones individuales:
E + He 2p + 2n
La adición de energía a un sistema debe ir acompañada de un aumento proporcional de masa. El cambio de masa para la conversión de He en nucleones individuales es Δm = 0.03040 uma, como se muestra en estos cálculos. La energía que se requiere para este proceso se calcula fácilmente:
ΔE = mc2
ΔE= (3,00 .108m/s)2(0.0304 uma)(1.0g/6.02. 10-23)(1Kg/1000g) = 4.54 . 10-12J
La energía que se requiere para separar el núcleo en nucleones individuales se llama energía de enlace. Cuanto mayor sea la energía de enlace, más estable es el núcleo respecto a su desintegración. Los núcleos de número de masa intermedio están unidos con más fuerza (y son por tanto más estables) que los que tienen números de masa más pequeños o más grandes. Esta tendencia tiene dos consecuencias significativas: en primer lugar, los núcleos pesados ganan estabilidad y por consiguientes desprenden energía si se fragmentan en dos núcleos de tamaño mediano. Este proceso llamado fisión, se usa para generar energía en los reactores nucleares. Segundo, se liberan cantidades aún mayores de energía si los núcleos muy ligeros se combinan o fusionan entre si para dar núcleos de mayor masa. Esta fusión es el proceso fundamental de producción de energía en el sol.
El estudio detallado de todos estos tipos de desintegración así como sus propiedades, composición y energía han llevado al hombre a idear un sinnúmeros de aplicaciones, algunas sencillas como es el caso de los relojes con números brillantes y otras mucho más complejas y relevantes como lo son los aparatos de uso médico como lo son las tecnologías de radioterapia, branquiterapia, teleterapia, etc que han servido y sirven como muy importantes herramientas de diagnóstico y tratamiento de enfermedades en medicina. Todo esto sin mencionar los enormes y complejos Reactores Nucleares que brindan energía en grandes cantidades. También debemos mencionar que el método de datación más exacto con el que contamos hoy en día llamado “Método del Carbono 14” se basa también en la espontaneidad con la que este isótopo de carbono emite radiación.