In einem anderen Kapitel wurde der Aufbau von Atomkernen erläutert, wobei auch auf die sog. Kernkräfte eingegangen wurde, die die positiv geladenen Protonen und die ungeladenen Neutronen im Atomkern zusammenhalten. Nun soll auf die Frage eingegangen werden, ob es nicht möglich ist, diese Bindungsenergie irgendwie abzuschätzen. Dies soll nun kurz erläutert werden
Wie bereits in der Einleitung erwähnt, lässt sich berechnen, wie stark die Kernteilchen (Nukleonen und Protonen) im Kern zusammengehalten werden. Dies lässt sich am einfachsten an einem Heliumatom berechnen. Dazu betrachtet man die Masse eines Heliumatoms und die Masse aus zwei Protonen und zwei Neutronen, aus der ein Heliumkern besteht:
Die Masse eines Heliumkerns beträgt aber “nur” 6,6448 · 10^-27 kg, was um ca. 0,0504 · 10^-27 kg geringer ist, als die Summe von zwei Protonen und zwei Neutronen. Bei der “Bindung” der Protonen und Neutronen in einem Heliumkern ist also ein kleiner Teil der Masse “verloren” gegangen. Dieser Massenverlust wird auch in der Literatur als Massendefekt bezeichnet und entsteht dadurch, dass bei der Bildung des Heliumkerns aus Protonen und Neutronen ein kleiner Teil der Masse in Energie umgewandelt wird. Diese Energie wird in Form von Gammaquanten (Lichtart) abgestrahlt. Dieser Massenverlust ist verantwortlich für das Zusammenhalten der Kernteilchen im Atomkern.
Wie man in obiger Rechnung erkennt, ist die Masse des Kerns kleiner ist, als die seiner Bestandteile. Die Massendifferenz lasst sich als Bindungsenergie betrachten. Diese Ansicht ist zulässig, da nach Albert Einsteins Relativitätstheorie E = m c² Masse und Energie gleichwertige Größen sind. Masse kann daher als Form von Energie betrachtet werden (aber nur in der atomaren Welt).
Beispiel:
Setzt man den oben berechneten Massenverlust von 0,504 · 10^-27 kg in die Formel E = m · c² (c ist ca. 300.000 km/s) ein, so erhält man als entsprechende Bindungsenergie einen Wert von ca. 4,5 · 10^-12 J.
Allgemein gilt:
Je größer der Massenverlust bei der Kernentstehung ist, desto besser werden die Kernteilchen aneinander gebunden bzw. je größer der Massendefekt pro Kernteilchen ist, desto stabiler ist der Atomkern, da mehr Energie zu seiner Zerlegung aufgewendet werden muss.
Die Bindungsenergie bezeichnet die Energie, die benötigt wird, um einen Atomkern in seine einzelnen Nukleonkomponenten (Protonen und Neutronen) zu zerlegen. Es handelt sich also um die Energie, die zur Aufrechterhaltung der Zusammenhaltung im Kern benötigt wird.
Die Bindungsenergie ist eng mit der Masse eines Atomkerns verbunden und entsteht aus der Massendifferenz zwischen der tatsächlichen Masse und der Summe der Protonen- und Neutronenmassen. Dieser Effekt wird als Massendefekt bezeichnet.
Der Massendefekt ist die Differenz zwischen der Gesamtmasse eines Atomkerns und der Summe der Massen der einzelnen Nukleonen. Es handelt sich dabei um die Masse, die in Bindungsenergie umgewandelt wird.
Die Bindungsenergie pro Nukleon berechnet sich, indem die Gesamtbindungsenergie eines Atomkerns durch die Anzahl der Nukleonen (Protonen und Neutronen) im Kern geteilt wird.
Die Bindungsenergie pro Nukleon zeigt für Elemente im Periodensystem ihre Stabilität an. Elemente mit einer hohen Bindungsenergie pro Nukleon sind stabiler als solche mit einer geringeren Bindungsenergie.
Bei der Kernspaltung und Kernfusion spielt die Bindungsenergie eine zentrale Rolle. Bei der Spaltung schwerer Kerne und der Fusion leichter Kerne wird Bindungsenergie freigesetzt.
Die Kernkraft ist die Kraft, die zwischen den Nukleonen wirkt und sie zusammenhält. Sie ist etwa 100-mal stärker als die elektromagnetische Kraft und ermöglicht daher die Bindung von Protonen und Neutronen im Atomkern.
Nukleonen sind die Elementarteilchen, die den Atomkern bilden, nämlich Protonen und Neutronen.
Die Bindungsenergie bezieht sich auf die Energie, die erforderlich ist, um Nukleonen im Atomkern voneinander zu trennen. Die Ionisierungsenergie hingegen ist die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron vom Atom zu entfernen.
Elemente mit einer hohen Bindungsenergie sind stabil, weil viel Energie benötigt wird, um die Nukleonen auseinanderzuhalten. Elemente mit einer geringeren Bindungsenergie sind instabiler und neigen daher zu radioaktivem Zerfall.