結合エネルギー

結合エネルギー（けつごうエネルギー、英: bond energy, binding energy）とは、互いに引き合う力によって結びついた複数の粒子からなる系が持つ、安定した状態と、構成粒子が互いにバラバラになって無限遠に離れた状態との間で生じるポテンシャルエネルギーの差を指す物理量です。このエネルギーは、系を構成する粒子間の引力に逆らって、それらを完全に分離するために外部から供給する必要があるエネルギーの最小量と考えることもできます。

別の呼び方として「束縛エネルギー（そくばくエネルギー）」とも呼ばれます。この結合エネルギーの値が大きいほど、系を構成する粒子間の結びつきはより強く、その系自体はより安定であると評価されます。例えば、原子同士が強い化学結合で結びついている分子は、結合エネルギーが大きいため、エネルギーを与えない限り容易に分解されません。

結合エネルギーの概念は、本来、保存力（粒子の位置によってのみ決まる力）によって粒子が結びついているどのような系に対しても適用可能です。しかし、この言葉が特に頻繁に用いられ、重要な意味を持つのは、主に二つの科学分野においてです。

1. 化学の分野における、分子内の原子間結合や分子間力による結びつき。
2. 原子核物理学の分野における、原子核内の核子（陽子や中性子）間相互作用による結びつき。

英語表現としては、主に化学分野では「bond energy」、原子核物理学分野では「binding energy」が用いられることが一般的です。

原子・分子間の結合エネルギー

化学において、原子同士が結合して分子や結晶などの安定な集合体を形成する際の結合エネルギーは、主に原子の最外殻に存在する価電子の相互作用に由来します。例えば、原子間で価電子が共有されることで生じる共有結合や、電気陰性度の大きな原子が小さな原子から電子を受け取り、生じた陽イオンと陰イオンの間の静電引力（クーロン力）によって生じるイオン結合などがあります。

分子がいくつかの原子から構成されている場合、その分子内には複数の種類の化学結合が存在する可能性があります。特定の一つの化学結合だけを、分子内の他の結合に影響を与えることなく切断するために必要なエネルギーは、「結合解離エネルギー（けつごうかいりエネルギー）」と呼ばれます。

これに対して、単に「結合エネルギー」という言葉を用いる場合、化学の文脈では二つの異なる意味合いで使われることがあります。一つは、分子全体が持つすべての化学結合を、構成原子がバラバラになるまで切断するために必要なエネルギーの総和を指す場合です。もう一つは、ある分子内に同種の化学結合が複数存在する場合、それらの結合の結合解離エネルギーの平均値を指す場合です。例えば、「メタン分子中のC-H結合エネルギーは約413 kJ/molである」といった表現で使われる値は、多くの場合、この平均値を指します。これは、同じ種類の結合であっても、結合している分子の他の部分の構造によって結合解離エネルギーがわずかに異なることがあるため、便宜的に平均値を用いるためです。

化学結合の強さは、原子・分子間の結合エネルギーの大きさによって定量的に比較されます。一般的に、結合エネルギーが大きいほど結合は強いと判断されます。主な化学結合の種類を結合エネルギーが大きい順に並べると、以下のようになります。

共有結合
イオン結合
金属結合
ファンデルワールス結合

共有結合やイオン結合は比較的大きく、分子間力の一種であるファンデルワールス結合はこれらに比べてかなり小さい値となります。

原子核の結合エネルギー

原子核物理学の分野では、原子核を構成する陽子と中性子（核子）が、非常に強い相互作用である核力によって互いに結びついて原子核を形成する際に放出されるエネルギーも結合エネルギーと呼ばれます。

原子核の結合エネルギーは、原子核を構成する個々の核子（陽子と中性子）の静止質量の総和と、実際に測定される完成した原子核の静止質量との間に観測されるわずかな質量の差、「質量欠損（しつりょうけっそん）」と密接に関係しています。アルベルト・アインシュタインが示した質量とエネルギーの等価性を示す関係式 E=mc² に従えば、この失われた質量（質量欠損）に相当するエネルギーが、核子を原子核として結合させるためのエネルギー、すなわち原子核の結合エネルギーであると理解できます。

原子核の結合エネルギーが大きい原子核ほど、より安定な構造を持っています。核分裂反応や核融合反応といった原子核が変化する過程では、この結合エネルギーの変化に伴って莫大なエネルギーが放出されます。例えば、ウランの核分裂や太陽内部での水素の核融合は、結合エネルギーの変化を利用した現象です。

このように、結合エネルギーは、原子・分子レベルから原子核レベルに至るまで、様々な系における粒子の結びつきの強さや安定性を理解し、定量的に評価するための根幹となる概念です。

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