Energija vezanja nukleona u jezgri E_B, ona je energija koju bi trebalo utrošiti na razbijanje jezgre na sve slobodne konstituente, protone i neutrone, no ujedno je i to energija koja bi se dobila pri slaganju svih slobodnih nukleona u zadanu jezgru. Ona je izražena kao:

E_B = [Zm_p + (A – Z)m_n – M]c².

M predstavlja masu jezgre X, m_p je masa protona, a m_n masa neutrona. Teoretski ukupna energija vezanja mogla bi se direktno mjeriti potpunim odvajanjem svih nukleona, no to nije praktički izvedivo. Puno je lakše odrediti energiju vezanja pojedinog nukleona, primjerice jednog neutrona, usporedbom energije vezanja dvaju jezgara koje se razlikuju za jedan neutron.Nukleoni na površini jezgre imaju manji broj veza s okolnim nukleonima

Model kapljice osniva se na sličnosti nuklearne jezgre s kapljicom vode: jednakom gustoćom bez obzira na veličinu, sfernim oblikom kao oblikom koji posjeduje najmanju energiju i kratkim dosegom sila među nukleonima koji je sličan kratkom dosegu sila koje drže molekule vode u kapljici. Kratki doseg kojim se djeluje samo na susjedne nukleone (molekule vode) upravo je odgovoran za jednaku gustoću jezgre (kapljice vode), ali i za činjenicu da su nukleoni bliže površini jezgre (molekule vode bliže površini kapljice) slabije vezani, jer postoje veze samo prema unutrašnjosti jezgre (kapljice).

Osim sličnosti postoje i razlike, molekule vode nisu nabijene, a k tome u mikrosvijetu vladaju zakoni kvantne mehanike koji unose dodatne razlike. Unatoč razlikama model kapljice formuliran u tzv. „Semiempirijskoj formuli” koja nosi ime Weizsaecker-ova semiempirijska formula, pokazao se vrlo korisnim za određivanje energije vezanja, za proračun energija fisije i fuzije kao i za određivanje najstabilnijih izotopa. Formula se sastoji od 5 članova. Prvi član kaže da je energija vezanja jezgre (nukleusa) proporcionalna broju nukleona. Drugi je član negativan i govori o smanjenju energije vezanja zbog slabije vezanih nukleona na površini jezgre i proporcionalan je veličini površine. Smatra se da se privlačna nuklearna sila osjeća unutar dosega 10^-15 m. Činjenicu da se u slučaju jezgre radi o nabijenoj kapljici, s česticama istoimenog naboja (protoni) koje se odbijaju, a elektromagnetske su sile dalekog dosega, pa se svaki od protona odbija sa svakim preostalim u jezgri, izražava treći član, koji također umanjuje energiju vezanja. Efekt simetrije favorizira jezgre s jednakim brojem protona i neutrona. Stoga je član kad se radi o različitim brojevima protona i neutrona negativan i izražen razlikom (Z-N). Kvantno mehanički efekt sparivanja (spinova nukleona) favorizira jezgre s parnim brojem protona i parnim brojem neutrona, koje se zovu parno-parne jezgre. Drugim riječima jezgre s neparnim brojem protona (ili neutrona) slabije su vezane (manja energija vezanja) od parno parnih. Tu korekciju unosi peti član, koji može poprimiti pozitivnu vrijednost (za parno-parne jezgre), može isčezavati (za parno-neparne jezgre) i biti negativan (za neparno-neparne jezgre). Relacija za energiju vezanja jezgre glasi:

.

δ poprima 3 vrijednosti, +1 za parno-parne jezgre, 0, za parno-neparne (neparno-parne) i -1 za neparno-neparne jezgre. Konstante a, b, c, d, e određene su tako da najbolje opisuju eksperimentalno utvrđenu ovisnost energije vezanja o broju protona i neutrona, kaže se da su „fitane“ prema eksperimentu, čiji je grafički prikaz vidljiv na slici u obliku ovisnosti energije vezanja po nukleonu (E_B/A) o broju nukleona (masenom broju). Jedan komplet konstanti koji dobro opisuje graf na slici glasi:

a = 14,1 MeV; b =13,0 MeV; c = 0,58 MeV; d = 19,3 MeV; e = 33,5 MeV

Finu strukturu grafa ovisnosti energije vezanja po nukleonu o masenom broju, dakle pojedinu „hrapavost” same krivulje s pojedinim vrhovima, model kapljice ne može objasniti. Model koji razmatra finu strukturu energetskih razina u jezgri jest „Ljuskasti model jezgre”. On počiva na analogiji s prethodno otkrivenim energetskim razinama u atomu, a iniciran je postojanjem energetskih razina u atomskoj jezgri, vidljivih mjerenjem energija raspada. Analogijom s atomima pojavljivale bi se situacije potpuno popunjenih #8222;ljusaka” – energetskih razina karakteriziranih kvantnim brojevima, čija bi popunjenost i zatvorenost rezultirala nižom energijom i stabilnim stanjem koje iz toga slijedi. U atoma tu situaciju imaju plemeniti plinovi (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), koji imaju potpuno popunjenu vanjsku ljusku, te su kemijski neaktivni.

Slično je u nuklearnih jezgara opaženo postojanje određenih stanja koja su ekstremno stabilna i ona su karakterizirana tzv. „magičnim brojem” protona ili neutrona, a posebno su stabilna stanja s dva magična broja, jednog za protone i drugog za neutrone, oni mogu biti isti (za lakše jezgre), no mogu se i razlikovati (za teže). Primjeri za jezgre koje imaju dvostruke magične brojeve (magični broj protona i magični broj neutrona) su:

⁴₂He, ¹⁶₈O, ⁴⁰₂₀Ca, ⁴⁸₂₀Ca, ²⁰⁸₈₂Pb.

Gornji indeks ispred simbola elementa predstavlja maseni broj (ukupan broj nukleona), a donji indeks ispred simbola elementa je broj protona u jezgri (redni broj). Stoga, za jezgre s dvostrukim magičnim brojevima vrijedi da redni brojevi predstavljaju skup magičnih brojeva (2, 8, 20, 82) kao i skup broja neutrona dobiven kao razlika masenog i rednog broja (2, 8, 20, 28, 82, 126). Magični brojevi u nuklearnoj fizici su redom: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.

Osnovna svojstva nukleona i elektrona prikazana su u sljedećoj tablici:

	naboj	masa (u)	spin ()
proton	e	1,007276	1/2
neutron	0	1,008665	1/2
elektron	-e	0,000549	1/2

Naboj je prikazan u jedinicama e = 1,6022•10^-19 C (kulon), što je po iznosu jednako naboju elektrona, a po predznaku je suprotno. Nuklearna i atomska masa izražavaju se u jedinicama (u), od engleske riječi „unit”, a označavaju ono što se naziva atomska jedinica mase. Dogovorom je utvrđeno da je 1 u = 1/12 mase atoma ¹²₆C = 1/12 mase neutralnog atoma ugljika ¹²C, (1 u predstavlja 1,6605•10^-27 kg ). Svaki od atomskih konstituenata (elektroni, protoni i neutroni) imaju moment vrtnje (moment količine gibanja zvan spin) u iznosu od 1/2 ( = h/2π; h = 6,626•10^-34 Js) i spadaju u klasu čestica s polucijelim spinom koje zajedničkim imenom zovemo „fermionima”. Njihova glavna karakteristika je da se podvrgavaju tzv. „Paulijevu principu isključenja”.