Bindungsenergie

Bindungsenergie wird freigesetzt, wenn zwei oder mehr Bestandteile durch Anziehungskräfte zusammengebracht werden und miteinander ein gebundenes System (beispielsweise einen Himmelskörper, ein Molekül, ein Atom, einen Atomkern) bilden. Diese Freisetzung bedeutet, dass das gebundene System eine negative potentielle Energie hat. Um die Bestandteile wieder zu trennen, muss eine äquivalente Arbeit geleistet werden, um die bindenden Kräfte zu überwinden.

Die Bezeichnung Bindungsenergie ist ein gängiger Fachausdruck, aber sprachlich etwas unglücklich gewählt. Sie führt – besonders mit einem nachfolgenden Genitiv, wie z. B. Bindungsenergie „des Uran-Atomkerns“ – leicht zu dem Missverständnis, es handele sich um einen (positiven) Energiebetrag, der in dem gebundenen System vorhanden ist und aus ihm freigesetzt werden kann. Richtig ist, wie oben gesagt, das Gegenteil: die Bindungsenergie ist bereits bei der Bildung des gebundenen Systems freigesetzt und abgegeben worden, ist also gerade nicht mehr verfügbar.

Chemische Bindungsenergie

Das Maß für die Stärke einer Bindung ist die Bindungsenergie. Sie wird Dissoziationsenthalpie genannt, wenn sie zum Trennen der verbundenen Atome aufgewendet werden muss. Sie wird in kJ/mol oder in eV/Bindung angegeben. Bindungsenergien zwischen Atomen betragen zwischen 300 und 650 kJ/mol bzw. zwischen 3 und 7 eV/Bindung.

Die Bindungsenergie kommt dadurch zustande, dass bei Annäherung zweier Atome die jeweiligen Valenzorbitale einen bindenden und einen antibindenden Zustand erzeugen. Der bindende Zustand liegt energetisch unterhalb der einzelnen Valenzzustände. Wenn die Valenzzustände jeweils nur ein Elektron besitzen, werden deren Energieeigenwerte herabgesetzt. Die bei der Überlappung freiwerdende Energie ist die Bindungsenergie.

Atomphysik

In der Atomphysik bezeichnet man als Bindungsenergie die Energie, die beim Einfangen eines Elektrons in die Elektronenhülle freigesetzt wird.

Die Bindungsenergie ist die Absenkung der Energie des Gesamtsystems und kommt durch die elektrische Anziehung zwischen Elektron und Atomkern zustande.

Kernphysik

In der Kernphysik ist die Bindungsenergie die Energiemenge, die frei wird, wenn sich Nukleonen zu einem Atomkern verbinden. Dies ist nach der einsteinschen Beziehung E = mc² mit einem kleinen Massenverlust der gebundenen Nukleonen verbunden, dem Massendefekt. Je schwerer ein Kern ist , desto höher ist seine Bindungsenergie.

Bindung kommt durch die anziehende Kraft der starken Wechselwirkung zwischen den Nukleonen zustande. Sie wird durch die gegenseitige Coulombabstoßung der elektrisch positiv geladenen Protonen im Kern geschwächt. Die maximale Bindungsenergie pro Nukleon ist ungefähr bei Eisen erreicht und nimmt zu schwereren Nukliden hin wieder ab: Je mehr Protonen vorhanden sind, desto größer ist die abstoßende Coulombkraft zwischen ihnen. Daher kann im Gebiet der leichten Kerne durch Kernverschmelzung (Kernfusion), im Gebiet der schweren Kerne durch Kernspaltung Nutzenergie gewonnen werden, wie in der Abbildung angedeutet ist.

Die Zacken in der Graphik hängen mit den Magischen Zahlen zusammen.

Siehe auch: Bethe-Weizsäcker-Formel

Die Bindungsenergie B definiert man üblicherweise aus der Masse der Atome {AM93}, weil diese wesentlich präziser gemessen werden kann als die Masse der Kerne:

B(Z,A) = {Z * M(H) + (A - Z)*M(n) - M(A,Z)} * c^2. Hier ist

M(H) = Masse des H-Atoms;

M(n) = Masse des Neutrons;

M(A,Z) = Masse des Atoms mit Z Elektronen und einem Kern mit A Nukleonen (A = Massenzahl; Z = Ordnungszahl).

Gravitation

Die gravitative Bindungsenergie ist die Energie, die benötigt wird, um einen durch Gravitation zusammengehaltenen Körper (z. B. die Erde) in seine Bestandteile (d. h. in Bestandteile, die selbst so gut wie keine gravitative Bindungsenergie besitzen) zu zerlegen und diese unendlich weit voneinander zu entfernen (d. h. beliebig weit voneinander weg; die Bestandteile ins Unendliche zu bringen, würde natürlich auch unendlich viel Zeit benötigen).

Nach der Newtonsche Gravitationstheorie hat ein kugelförmiger Körper konstanter Dichte die Bindungsenergie

$E = \mathrm{\frac{3 \ G \ M^2}{5 \ r}}$

wobei M die Masse des Körpers, r der Radius und G die Gravitationskonstante ist. Reale Körper haben im Zentrum durch die Eigenkompression eine größere Dichte als nahe der Oberfläche; deshalb kann man sich vorstellen, dass das im Zentrum „überschüssige“ Material zuerst näher an die Oberfläche gebracht wird, und zwar so, dass eine homogene Massenverteilung entsteht. Dieser Vorgang kostet Energie; zusätzlich muss nun noch der homogene Körper zerlegt werden. Deshalb haben reale Körper stets größere gravitative Bindungsenergien als homogene Kugeln.

Eine homogene Kugel mit Masse und Größe der Erde hat eine gravitative Bindungsenergie von ca. 2,2·10³² Joule, die tatsächliche Bindungsenergie der Erde beträgt ca. 2,4·10³² Joule.