Haben Sie sich jemals ein Stück Brennholz angesehen und sich gesagt: "Meine Güte, ich frage mich, wie viel Energie es kosten würde, dieses Ding auseinander zu spalten." Es besteht die Möglichkeit, dass nur wenige Menschen dies tun. Für Physiker ist es jedoch eine ziemlich wichtige Frage, wie viel Energie benötigt wird, um etwas in seine Bestandteile zu zerlegen.
Auf dem Gebiet der Physik ist dies die sogenannte Bindungsenergie oder die Menge an mechanischer Energie, die erforderlich wäre, um ein Atom in seine einzelnen Teile zu zerlegen. Dieses Konzept wird von Wissenschaftlern auf vielen verschiedenen Ebenen verwendet, einschließlich der atomaren Ebene, der nuklearen Ebene sowie in der Astrophysik und Chemie.
Atomkraft:
Wie jeder, der sich an seine grundlegende Chemie oder Physik erinnert, sicher weiß, bestehen Atome aus subatomaren Teilchen, die als Nukleonen bekannt sind. Diese bestehen aus positiv geladenen Teilchen (Protonen) und neutralen Teilchen (Neutronen), die im Zentrum (im Kern) angeordnet sind. Diese sind von Elektronen umgeben, die den Kern umkreisen und in unterschiedlichen Energieniveaus angeordnet sind.
Der Grund, warum subatomare Teilchen mit grundlegend unterschiedlichen Ladungen so nahe beieinander existieren können, liegt in der Anwesenheit einer starken Kernkraft - einer fundamentalen Kraft des Universums, die es ermöglicht, subatomare Teilchen auf kurze Distanz anzuziehen. Es ist diese Kraft, die der Abstoßungskraft (bekannt als Coulomb-Kraft) entgegenwirkt, die bewirkt, dass sich Partikel gegenseitig abstoßen.
Daher erfordert jeder Versuch, den Kern in die gleiche Anzahl freier ungebundener Neutronen und Protonen zu teilen - so dass sie weit genug voneinander entfernt sind, dass die starke Kernkraft die Partikel nicht mehr zur Wechselwirkung bringen kann -, dass genügend Energie zum Brechen benötigt wird diese nuklearen Bindungen.
Die Bindungsenergie ist also nicht nur die Energiemenge, die zum Aufbrechen starker Kernkraftbindungen erforderlich ist, sondern auch ein Maß für die Stärke der Bindungen, die die Nukleonen zusammenhalten.
Kernspaltung und Fusion:
Um Nukleonen zu trennen, muss dem Kern Energie zugeführt werden, was normalerweise durch Beschuss des Kerns mit energiereichen Partikeln erreicht wird. Wenn schwere Atomkerne (wie Uran- oder Plutoniumatome) mit Protonen bombardiert werden, spricht man von Kernspaltung.
Die Bindungsenergie spielt jedoch auch eine Rolle bei der Kernfusion, bei der Lichtkerne (wie Wasserstoffatome) unter hochenergetischen Zuständen miteinander verbunden werden. Wenn die Bindungsenergie für die Produkte höher ist, wenn leichte Kerne verschmelzen oder wenn schwere Kerne gespalten werden, führt einer dieser Prozesse zu einer Freisetzung der „zusätzlichen“ Bindungsenergie. Diese Energie wird als Kernenergie oder lose als Kernenergie bezeichnet.
Es wird beobachtet, dass die Masse eines Kerns immer kleiner ist als die Summe der Massen der einzelnen Bestandteile, aus denen er besteht. Der "Massenverlust", der entsteht, wenn Nukleonen zu einem kleineren Kern gespalten werden oder zu einem größeren Kern verschmelzen, wird auch einer Bindungsenergie zugeschrieben. Diese fehlende Masse kann während des Prozesses in Form von Wärme oder Licht verloren gehen.
Sobald das System auf normale Temperaturen abgekühlt ist und hinsichtlich des Energieniveaus in den Grundzustand zurückkehrt, verbleibt weniger Masse im System. In diesem Fall stellt die entfernte Wärme genau das Massendefizit dar, und die Wärme selbst behält die Masse bei, die verloren gegangen ist (aus Sicht des ursprünglichen Systems). Diese Masse tritt in jedem anderen System auf, das die Wärme absorbiert und Wärmeenergie gewinnt.
Arten der Bindungsenergie:
Genau genommen gibt es verschiedene Arten von Bindungsenergie, die auf dem jeweiligen Forschungsgebiet basieren. In der Teilchenphysik bezieht sich Bindungsenergie auf die Energie, die ein Atom aus elektromagnetischer Wechselwirkung bezieht, und ist auch die Energiemenge, die erforderlich ist, um ein Atom in freie Nukleonen zu zerlegen.
Im Fall der Entfernung von Elektronen aus einem Atom, einem Molekül oder einem Ion wird die erforderliche Energie als "Elektronenbindungsenergie" (auch bekannt als Ionisationspotential) bezeichnet. Im Allgemeinen ist die Bindungsenergie eines einzelnen Protons oder Neutrons in einem Kern ungefähr eine Million Mal größer als die Bindungsenergie eines einzelnen Elektrons in einem Atom.
In der Astrophysik verwenden Wissenschaftler den Begriff „Gravitationsbindungsenergie“, um die Energiemenge zu bezeichnen, die benötigt wird, um ein Objekt, das nur durch die Schwerkraft zusammengehalten wird, auseinander zu ziehen (bis ins Unendliche) - dh jedes Sternobjekt wie ein Stern, ein Planet oder ein Komet. Es bezieht sich auch auf die Energiemenge, die während der Akkretion eines solchen Objekts aus Material, das aus dem Unendlichen fällt, freigesetzt wird (normalerweise in Form von Wärme).
Schließlich gibt es die sogenannte "Bindungsenergie", die ein Maß für die Bindungsstärke bei chemischen Bindungen ist, und auch die Energiemenge (Wärme), die erforderlich wäre, um eine chemische Verbindung in ihre Atome zu zerlegen. Grundsätzlich ist Bindungsenergie genau das, was unser Universum zusammenhält. Und wenn verschiedene Teile davon zerbrochen werden, ist es die Menge an Energie, die benötigt wird, um es auszuführen.
Die Untersuchung der Bindungsenergie hat zahlreiche Anwendungen, nicht zuletzt die Kernenergie, die Elektrizität und die chemische Herstellung. Und in den kommenden Jahren und Jahrzehnten wird es ein wesentlicher Bestandteil der Entwicklung der Kernfusion sein!
Wir haben viele Artikel über das Binden von Energie für das Space Magazine geschrieben. Was ist Bohrs Atommodell? Was ist John Daltons Atommodell? Was ist das Plum Pudding-Atommodell? Was ist Atommasse? Und Kernfusion in Sternen.
Wenn Sie weitere Informationen zur Bindungsenergie wünschen, lesen Sie den Hyperphysics-Artikel zur nuklearen Bindungsenergie.
Wir haben auch eine ganze Episode von Astronomy Cast aufgenommen, in der es um die wichtigen Zahlen im Universum geht. Hören Sie hier, Episode 45: Die wichtigen Zahlen im Universum.
Quellen:
- Wikipedia - Bindungsenergie
- Hyperphysik - Kernbindungsenergie
- Europäische Nukleargesellschaft - Bindungsenergie
- Encyclopaedia Britannica - Bindungsenergie
