Xét phản ứng hạt nhân X(a,b)Y. Ta giả sử rằng hạt nhân X lúc đầu là đứng yên còn động năng của hạt khác là DY, Da, Db.
Khi nghiên cứu các phản ứng hạt nhân ta có định luật bảo toàn năng - khối lượng là:
Trong đó: WX, Wa là nôi năng của hạt X và a. WY, Wb là nội năng của hạt Y và b
Thường thì tổng nội năng trước phản ứng Wt khác tổng nội năng sau phản ứng Ws. Do đó tổng động năng trước phản ứng Dt cũng khác tổng động năng sau phản ứng Ds. Hiệu số:
Q = Wt - Ws = Dt - Ds (2-2) Gọi là hiệu ứng năng lượng của phản ứng hạt nhân.
Như vậy năng lượng tỏa ra trong phản ứng hạt nhân có thể tính trực tiếp từ các khối lượng của các hạt tham gia phản ứng.
Ta có:
Q = [(ma + mX) - (mb + mY)]c2 (2-3) Có thể xảy ra các trường hợp sau:
Q > 0: phản ứng được gọi là phản ứng tỏa năng lượng; trong đó khối lượng dư đã chuyển thành động năng của các hạt bay ra.
Q < 0: phản ứng gọi là thu năng lượng có thể xem phản ứng như là một phần của sự va chạm không đàn hồi trong đó một phân fđộng năng của hạt đạn đã chuyển thành khối lượng.
Q = 0: cả động năng và khối lượng tĩnh của hạt trước và sau phản ứng được giữ nguyên ta có thể coi đây là va chạm đàn hồi.
Ví dụ: Xét phản ứng:
. (2-4)
Q = 0,01864.931 = 17,35MeV Q>0: phản ứng này tỏa năng lượng.
Ta hãy xét sự phân rã của một hạt đứng yên không bị kích thích. Đây cũng có thể xem như một trương hợp đặc biệt của phản ứng hạt nhân với Dt = 0; Ds > 0. Như vậy Q>0, có nghĩa là môt hạt chỉ có thể tự phân rã nếu hiệu ứng năng lượng của quá trình ấy là dương. Nói cách khác tổng khối lượng của hạt nhân sinh ra phải bé hơn khối lượng của hạt nhân ban đầu: