Äquivalenz von Masse und Energie

Mit der Äquivalenz von Masse und Energie bezeichnet man den Zusammenhang zwischen Masse und Energie, der sich in der bekannten Formel der Relativitätstheorie $E = mc^{2}$ ausdrückt. Entdeckt wurde dieser Zusammenhang 1905 von Albert Einstein.

Bedeutung

Die Äquivalenz von Masse und Energie besagt im Wesentlichen, dass Masse und Energie nicht voneinander unabhängig sind, sondern sich gegenseitig bedingen. Ein energiereicher Körper ist demnach schwerer als derselbe energieärmere Körper. Da der Faktor c (Lichtgeschwindigkeit) in der Gleichung der Relativitätstheorie jedoch sehr groß ist, macht sich dieser Massenunterschied im Alltag kaum von Bedeutung. In der Kernphysik macht sich die Äquivalenz von Masse und Energie weitaus mehr bemerkbar.

Bindungsenergie der Nukleonen

Da zum Bilden eines Atoms die nötige Bindungsenergie aufgewandt werden muss, geht die Bildung mit einem Massenverlust einher. Die Masse eines Atoms ist kleiner als die Masse seiner freien Einzelbausteine. Mit $E = mc^{2}$ lässt sich mit dem Massenunterschied von Einzelbausteinen und Atom die Bindungsenergie eines Atoms berechnen: $E_{Bind} = ((O * m_{Proton} + O * m_{Elektron} + (M-O) * m_{Neutron})- m_{Atom})* c^2$, wobei O die Ordnungszahl und M die Massenzahl seien.

Energiefreisetzung bei der Kernspaltung und Kernfusion

Bei der Kernspaltung ist die Masse der Spaltkerne und der frei werdenden Neutronen geringer als die des Ursprungskerns. Das zieht nach der Äquivalenz von Masse und Energie die Abgabe von Energie (kinetische Energie der Spaltprodukte) nach sich. Ähnlich verhält es sich bei der Kernfusion. Auch hier ist der fusionierte meist Kern leichter als die beiden Ausgangskerne und es wird Energie freigesetzt. Allerdings gibt es auch endotherme Fusionen, bei denen die Produkte schwerer als die Edukte sind, und Energie aufgenommen wird. (genaueres siehe Energiebilanz bei Kernspaltung und Kernfusion)

Geschichtliches

Vor Einsteins Zeit war man lange der Meinung, dass zwei Erhaltungssätze gelten würden: Der Energieerhaltungssatz und der Massenerhaltungssatz. Fusion und Spaltung widersprechen jedoch deutlich beiden Sätzen, da die Masse abnimmt und scheinbar neue Energie entsteht. Die Lösung ist die Äquivalenz von Masse und Energie, denn nach ihr sind Masse und Energie Ausdruck des Selben. Die verlorene Masse wird in Energie umgewandelt.

Bereits ab 1880 entstanden mehrere Ideen von einem Zusammenhang von Masse, Energie und Lichtgeschwindigkeit.

1905 entwickelte Albert Einstein die Idee der Äquivalenz von Masse und Energie als Teil seiner Relativitätstheorie.

Einsteins Formel $E = mc^{2}$ hatte im Gegensatz zur weit verbreiteten Meinung nicht zum Bau der Atombombe beigetragen. Sie war für deren Entwicklung irrelevant. Einstein wirkte nur politisch, nicht wissenschaftlich am Bau der Bombe mit.