Loading article…
物理学および化学において、結合エネルギーとは、粒子系から粒子を取り除く、または粒子系を個々の部分に分解するために必要な最小のエネルギー量のことです。 [ 1 ]前者の意味では、この用語は主に凝縮系物理学、原子物理学、および化学で使用されますが、原子核物理学では分離エネルギーという用語が使用されます。結合系は通常、結合していない構成要素よりも低いエネルギーレベルにあります。相対性理論によれば、系の全エネルギーのΔEの減少は、全質量のΔmの減少を伴います。ここで、 Δmc² = ΔEです。[ 2 ]
結合エネルギーにはいくつかの種類があり、それぞれ異なる距離とエネルギーのスケールで作用する。結合系のサイズが小さいほど、それに伴う結合エネルギーは高くなる。
結合系は、その質量が結合していない構成要素の総質量よりも小さくなければならないため、通常は結合していない構成要素よりも低いエネルギーレベルにあります。結合エネルギーが低い系では、結合後に「失われる」質量はごくわずかですが、結合エネルギーが高い系では、失われた質量は容易に測定できる割合になります。この失われた質量は、結合の過程で熱や光の形でエネルギーとして失われる可能性があり、除去されたエネルギーはアインシュタインの式 E = mc² によって除去された質量に対応します。結合の過程で、系の構成要素は質量を保持したまま原子核/原子/分子のより高いエネルギー状態に入る可能性があり、そのため、質量が減少する前にそれらを系から除去する必要があります。系が通常の温度まで冷却され、エネルギーレベルに関して基底状態に戻ると、最初に結合して高エネルギー状態にあったときよりも質量が少なくなります。この熱損失は「質量不足」を表し、熱自体は（初期システムの観点から見て）失われた質量を保持します。この質量は、熱を吸収して熱エネルギーを得る他のシステムに現れます。[ 8 ]
例えば、2つの物体が重力場によって空間内で互いに引き合っている場合、引力によって物体は加速され、速度が増加し、位置エネルギー（重力）が運動エネルギーに変換されます。粒子が相互作用せずに互いにすり抜けるか、衝突中に弾性反発すると、得られた運動エネルギー（速度に関係）は位置エネルギーに戻り始め、衝突した粒子を遠ざけます。減速した粒子は元の距離に戻り、無限遠まで進むか、停止して衝突を繰り返します（振動が発生します）。これは、エネルギーを失わないシステムは、短距離で振動する部分を持つ固体に結合（結合）しないことを示しています。したがって、粒子を結合するには、引力によって得られた運動エネルギーを抵抗力によって散逸させる必要があります。衝突する複雑な物体は通常、非弾性衝突を起こし、運動エネルギーの一部を内部エネルギー（原子の運動による熱量）に変換し、それがさらに光子（光と熱）の形で放射されます。衝突によって重力から逃れるためのエネルギーが散逸すると、物体はより近い、おそらく原子レベルの距離で振動し、あたかも一つの固体のように見えるようになる。物体を分離するためのポテンシャル障壁を乗り越えるために必要なこの失われたエネルギーが、結合エネルギーである。この結合エネルギーが熱として系内に保持されれば、系の質量は減少しないが、熱放射として系から失われた結合エネルギー自体が質量を持つ。これは、冷たい結合系の「質量不足」を直接的に表している。
化学反応と核反応においても、これとよく似た考察が当てはまります。閉鎖系における発熱化学反応では質量は変化しませんが、反応熱が除去されると質量は減少します。ただし、この質量変化は標準的な装置では測定できないほど小さいものです。核反応では、光や熱として除去される質量の割合、すなわち結合エネルギーは、系全体の質量のかなり大きな割合を占めることがよくあります。そのため、反応物と（冷却された）生成物の静止質量の差として直接測定することができます。これは、核力が、化学反応で熱を発生させる電子と陽子の相互作用に伴うクーロン力よりも比較的強いためです。
束縛系、特に原子核における質量変化（減少）は、質量欠損、質量不足、または質量充填率とも呼ばれる。
非束縛系で計算された質量と実験的に測定された原子核の質量の差（質量変化）をΔmと表す。これは次のように計算できる。
励起状態となる原子核反応が起こった後、非励起状態へ崩壊するために放射されるか、あるいは結合エネルギーとして除去されなければならないエネルギーは、いくつかの形態をとる可能性がある。例えば、ガンマ線などの電磁波、内部転換崩壊における電子などの放出粒子の運動エネルギー、あるいはベータ崩壊粒子などの一つまたは複数の放出粒子の静止質量の一部などが挙げられる。理論的には、この放射線またはエネルギーが放出され、系からなくなるまでは、質量欠損は生じない。
核子が結合して原子核を形成するとき、結合状態を維持するためには、わずかな質量を失う、つまり質量変化が生じます。この質量変化は、上記のように、E = mc²の関係に従って、様々な種類の光子やその他の粒子エネルギーとして放出されなければなりません。したがって、結合エネルギーが除去された後、結合エネルギー = 質量変化 × c²となります。このエネルギーは、核子を結合させている力の尺度です。これは、原子核が個々の核子に分解されるために、周囲から再供給されなければならないエネルギーを表しています。
例えば、重水素原子の質量欠損は0.0023884 Daであり、その結合エネルギーはほぼ2.23 MeVである。これは、 重水素原子を崩壊させるには2.23 MeVのエネルギーが必要であることを意味する。
核融合または核分裂の際に放出されるエネルギーは、「燃料」、すなわち初期核種の結合エネルギーと、核分裂または核融合生成物の結合エネルギーの差です。実際には、このエネルギーは、燃料と生成物の間の大きな質量差から計算することもできます。この場合、既知の核種の原子質量の過去の測定値を利用します。これらの核種は常に同じ質量を持ちます。この質量差は、発生した熱と放射線を取り除いた後に現れます。このような計算に関わる（励起されていない）核種の（静止）質量を測定するには、この熱と放射線の除去が必要です。