Äquivalenz von Masse und Energie

Dieser Text beschreibt Äquivalenz von Masse und Energie.

Die Äquivalenz von Masse und Energie ist eine wichtige Aussage der speziellen Relativitätstheorie. Sie besagt, dass jede Masse Energie, und jede Energie Masse hat, wobei beide über die Formel

E = mc²

miteinander verknüpft sind.

Diese einfache Formel hat weitreichende Konsequenzen. So folgt aus ihr, dass die Bindungsenergie eines Systems selbst zur Masse beiträgt; da die Bindungsenergie immer negativ ist, bedeutet dies, dass das gebundene System weniger Masse hat als die aneinander gebundenen Objekte. Während dieser Massenunterschied für die meisten Systeme so klein ist, dass man ihn nicht messen kann (beispielsweise hat ein Wasserstoff-Atom gegenüber einem freien Elektron und einem freien Proton gerade mal ungefähr 1/70 000  Tausend weniger Masse), ist der Betrag für Atomkerne recht groß (beispielsweise rund 0,8 Prozent bei Kohlenstoff-12), man spricht hier auch vom Massendefekt. Aus dem unterschiedlichen Massendefekt verschiedener Atomarten stammt die Energie bei Kernspaltung und Kernfusion. Hier wird also direkt Masse in (andere) Energie umgesetzt.

Noch deutlicher wird dies bei einem anderen Prozess: Der Annihilation von Teilchen und Antiteilchen. Hier wird die gesamte Masse der Teilchen in Strahlungsenergie umgesetzt, die ursprünglichen Teilchen existieren hinterher nicht mehr. Bei der Annihilation schwerer Teilchen können allerdings auch leichtere Teilchen-Antiteilchen-Paare entstehen.

Eine interessante Tatsache ist auch, dass die Sonne allein durch ihr abgestrahltes Licht (Gesamtleistung ungefähr 3,7·10²⁶ W) in jeder Sekunde rund 4 Millionen Tonnen (4*10⁹kg) Masse verliert (verglichen mit der Sonnenmasse von rund 2·10³⁰ kg ist dieser Anteil jedoch vernachlässigbar).