Sự kết hợp năng lượng của các nguyên tử được gọi là phản ứng tổng hợp hạt nhân. Trong quá trình này, hai nguyên tố tương đối nhẹ hợp nhất để tạo thành nguyên tố mới, nặng hơn trong bối cảnh giải phóng năng lượng.
Nguyên tố mới được hình thành bởi phản ứng tổng hợp có khối lượng nhẹ hơn một chút so với tổng khối lượng của hai nguyên tố tạo ra nó. Khối lượng bị mất được chuyển thành năng lượng trong một mối quan hệ được mô tả bởi phương trình E = mc2 nổi tiếng của Einstein. Phản ứng tổng hợp nguyên tử tạo ra năng lượng cho tất cả các nguyên tố nhẹ hơn sắt. Vì phản ứng tổng hợp của các hạt nhân sắt đòi hỏi nhiều năng lượng hơn năng lượng nó giải phóng, nên các phản ứng của sắt không bền vững. Theo Đại học Bang Georgia, các nguyên tố nặng hơn sắt có thể giải phóng năng lượng bằng cách phân tách, một quá trình được gọi là phân hạch.
