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结合能是维持原子核稳定的重要概念。原子核由质子和中子组成，这些核子通过强核力结合在一起。结合能就是将原子核完全分解为独立核子所需要的能量，或者说是核子结合成原子核时释放的能量。结合能越大，原子核越稳定。
爱因斯坦的质能方程E等于mc平方揭示了质量与能量的等价性。在原子核中，核子的总质量大于原子核的实际质量，这个差值称为质量亏损。质量亏损乘以光速的平方就是结合能。比结合能曲线显示，铁56附近的核素最稳定，比结合能最大。轻核和重核的比结合能都较小，这为核聚变和核裂变提供了理论基础。
核裂变是重核分裂成较轻核的过程。以铀235为例，当它吸收一个中子后变得不稳定，分裂成钡141和氪92等较轻的核，同时释放出3个新中子。由于重核的比结合能较低，而分裂产物的比结合能较高，反应后总结合能增加，多余的能量以核能形式释放出来。这就是核电站和原子弹的能量来源。
核聚变是轻核结合成较重核的过程。氘和氚聚变生成氦4和一个中子，释放17.6兆电子伏特的能量。由于轻核的比结合能较低，而聚变产物氦4的比结合能较高，反应后总结合能增加，释放出巨大能量。但聚变需要极高的温度和压力条件，如1亿摄氏度的高温，这是因为需要克服原子核间的库仑斥力。太阳就是通过核聚变持续发光发热的。
核能在现代社会有广泛应用。核电站利用核裂变产生电力，为人类提供清洁高效的能源。在医学领域，放射性同位素用于诊断和治疗。太阳通过核聚变持续为地球提供能量。未来，可控核聚变技术有望成为人类的终极清洁能源，解决能源危机问题。结合能与核能的关系揭示了物质世界的深层规律，为人类利用原子能开辟了广阔前景。