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Bindungsenergie
Bindungsenergie muss aufgebracht werden, um ein gebundenes System aus zwei oder mehr Bestandteilen (beispielsweise ein Molekül, ein Atom, einen Atomkern …
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Grundprinzip
Die Bindungsenergie ist die Energie, die aufgebracht werden muss, um ein durch Anziehungskräfte gebundenes System vollständig in seine Bestandteile zu zerlegen. Solche Systeme können beispielsweise Moleküle, Atome, Atomkerne, Himmelskörper oder Galaxienhaufen sein. Umgekehrt wird eine ebenso große Energiemenge frei, wenn sich das gebundene System aus seinen Einzelteilen bildet.
Manchmal bezeichnet Bindungsenergie nicht die aufzuwendende Energiemenge, sondern die Änderung des Energieinhalts bei der Bildung des Systems. In dieser Vorzeichenkonvention hat sie denselben Betrag, ist aber negativ. Ein Beispiel ist die chemische Reaktionsenthalpie ΔH: Sie ist negativ, wenn der Energieinhalt des Systems während der Reaktion abnimmt und Energie frei wird.
Die Bindungsenergie ist daher nicht als im gebundenen System gespeicherte und unmittelbar freisetzbare Energie zu verstehen. Sie wurde bereits bei dessen Bildung abgegeben. Um das System wieder zu zerlegen, muss diese Energie erneut zugeführt werden.
Anschauliches Beispiel
Zwei hinreichend nahe Dauermagnete bewegen sich aufgrund ihrer gegenseitigen Anziehung aufeinander zu. Unmittelbar vor dem Zusammenstoß ist ihre kinetische Energie am größten. Beim Zusammenstoß wird diese Bewegungsenergie in Schallenergie und Wärme umgewandelt. Diese abgegebene Energie veranschaulicht die freigesetzte Bindungsenergie. Um die Magnete danach wieder voneinander zu trennen, muss dem System genau diese Energiemenge erneut zugeführt werden.
Chemische Bindungen
In der Chemie bezieht sich die Bindungsenergie hauptsächlich auf die Bildung von Molekülen durch kovalente Bindungen, also durch kurzreichweitige Kräfte zwischen Atomen. Bei Ionenkristallen, die durch langreichweitige elektrostatische Anziehung entstehen, wird die molare Bindungsenergie als Gitterenergie oder Gitterenthalpie bezeichnet.
Bindungsenergien zwischen Atomen in Molekülen liegen gewöhnlich zwischen 200 und 700 kJ·mol⁻¹, entsprechend 2 bis 7 eV pro Bindung. Kohlenstoffmonoxid besitzt mit 1070,3 kJ/mol beziehungsweise 11,1 eV eine besonders hohe Bindungsenergie. Wasserstoffbrückenbindungen sind mit 17 bis 167 kJ/mol beziehungsweise 0,18 bis 1,7 eV pro Bindung deutlich schwächer als die Bindungen innerhalb eines Moleküls.
Elektronen in Atomen und Festkörpern
In der Atomphysik heißt die Energie zur Abtrennung eines einzelnen Elektrons von einem neutralen Atom 1. Ionisierungsenergie oder kurz Ionisierungsenergie. Sie beruht auf der elektrischen Anziehung zwischen Elektron und Atomkern, wobei auch die Abstoßung durch die übrigen Elektronen berücksichtigt wird. Beim Einfangen eines Elektrons wird derselbe Energiebetrag frei. Für die Abtrennung eines zweiten Elektrons ist die 2. Ionisierungsenergie erforderlich, für ein drittes die 3. Ionisierungsenergie und so weiter.
Besonders geringe Ionisierungsenergien besitzen die Valenzelektronen der ersten Hauptgruppe, also der Alkalimetalle und des Wasserstoffs. Die Werte reichen von 13,6 eV beim Wasserstoffatom über 5,14 eV bei Natrium bis 3,89 eV bei Caesium. Mit zunehmender positiver Ladung eines Ions steigt die Bindungsenergie seiner verbliebenen Elektronen. Bei Natrium betragen die zweite und dritte Ionisierungsenergie bereits 47 beziehungsweise 72 eV.
Die Energie, die zur Entfernung eines Elektrons aus einem ungeladenen Festkörper nötig ist, heißt Austrittsarbeit. Sie ist häufig deutlich geringer als die Ionisierungsenergie eines isolierten Atoms. Bei Caesium beträgt sie beispielsweise 2,14 eV statt 3,89 eV. Durch den Schottky-Effekt lässt sie sich weiter verringern. Die Austrittsarbeit ist unter anderem beim glühelektrischen Effekt, beim Sekundärelektronenvervielfacher, beim Sekundärelektronenmikroskop und beim photoelektrischen Effekt wichtig.
An einem gleichrichtenden Metall-Halbleiter-Übergang, etwa in einer Schottky-Diode, müssen Elektronen die Schottky-Barriere überwinden. Diese liegt meist zwischen 0,5 und 0,9 eV. Im Bändermodell eines Halbleiters entspricht die Bandlücke der Bindungsenergie eines Elektrons im Valenzband.
Die gesamte Bindungsenergie der Elektronenhülle ist die Summe aller Ionisierungsenergien von Stufe 1 bis Z, wobei Z die Ordnungszahl bezeichnet. Bei schweren Atomen ist sie experimentell schwer zu bestimmen, weil dafür ein neutrales mit einem vollständig ionisierten Atom verglichen werden müsste. Deshalb werden vor allem theoretische Abschätzungen verwendet. Für Uran mit Z = 92 ergibt sich eine totale Bindungsenergie der Hülle von ungefähr 760 keV. Zum Vergleich beträgt das Energieäquivalent der Masse eines Elektrons 511 keV.
Bindung im Atomkern
In der Kernphysik bezeichnet Bindungsenergie meistens die Energie, die zur vollständigen Zerlegung eines Atomkerns in seine Nukleonen benötigt wird. Nukleonen sind die Protonen und Neutronen des Kerns. Umgekehrt wird dieselbe Energiemenge frei, wenn sich sämtliche Nukleonen zu einem Kern vereinigen. Bezieht sich die Bindungsenergie nur auf ein einzelnes Nukleon, heißt sie genauer Ablöse- oder Abtrennarbeit dieses Teilchens.
Die Kernbindung entsteht durch die anziehende starke Wechselwirkung zwischen benachbarten Nukleonen. Sie überwiegt im Kern die Coulomb-Abstoßung zwischen den elektrisch positiv geladenen Protonen. Die höchste Bindungsenergie pro Nukleon wird bei Nickel-62 erreicht und beträgt 8,795 MeV pro Nukleon.
Wegen der Äquivalenz von Masse und Energie führt die Kernbindung zu einem Massendefekt: Die Masse des gebundenen Kerns ist geringer als die Summe der Massen seiner getrennten Nukleonen. Bei ⁶²Ni beträgt dieser Unterschied 0,9 %. Wenn durch Kernfusion, etwa in der Sonne, oder durch Kernspaltung, etwa in Kernkraftwerken, stabilere Kerne entstehen, kann deshalb sehr viel Bindungsenergie freigesetzt werden.
Gravitative Bindung
Die gravitative Bindungsenergie ist die Energie, die benötigt wird, um einen durch Gravitation zusammengehaltenen Körper, beispielsweise die Erde, in sehr viele kleine Bestandteile zu zerlegen und diese unendlich weit voneinander zu entfernen. Umgekehrt wird dieselbe Energie frei, wenn sich die Bestandteile zu einem gravitativ gebundenen Körper vereinigen.
Dies geschieht etwa beim Kollaps einer Gaswolke zu einem kompakteren Himmelskörper wie einem Stern. Die frei werdende Energie führt zur Erwärmung der Wolke. Bei großen astronomischen Objekten kann die gravitative Bindungsenergie so groß sein, dass ein merklicher Massendefekt entsteht. Seine relative Größe liegt in der Größenordnung ΔM/M ≈ Rₛ/R. Dabei ist R der Radius des Körpers und Rₛ sein Schwarzschild-Radius. Bei der Sonne liegt der relative Massendefekt in der Größenordnung 10⁻⁶.
