Jürgen Arnhold Ordre des livres

Der enorme technische Fortschritt und wissenschaftliche Erkenntniszuwachs der vergangenen Jahre in Medizin und Biowissenschaften betrifft auch das Fach Physik. Seit mehr als fünfzig Jahren unterrichten die Mitarbeiter des Instituts für Medizinische Physik und Biophysik der Universität Leipzig Studierende der Humanmedizin, Zahnmedizin, Biochemie, Biologie und Pharmazie in diesem Fach, wobei Vorlesungen, Übungen und Praktika zu den obligatorischen Lehrveranstaltungen gehören. Das jetzt vorliegende Skript zur Vorlesung schließt eine Lücke in den bereitgestellten Lehrmaterialien für den interessierten Studierenden. In Kurzform werden wichtige physikalische Begriffe, Gesetze und Phänomene erläutert und gleichzeitig der Bogen zu zahlreichen modernen Anwendungen in Medizin und Lebenswissenschaften geschlagen. Inhaltsverzeichnis 0. Physikalische Größen und Einheiten 0.1 Messen heißt vergleichen! 0.2 Internationale Einheitensystem 0.3 Arbeiten mit Messgrößen 0.4 Skalare und vektorielle Größen 0.5 Naturkonstanten 1. Mechanik: Bewegung von Körpern 1.1 Einfache Bewegungen 1.1.1 Grundtypen der Bewegung 1.1.2 Geradlinige gleichförmige Bewegung 1.1.3 Gleichmäßig beschleunigte Bewegung, freier Fall 1.1.4 Diagramme und Gesetze (Translation) 1.1.5 Gleichförmige Kreisbewegung 1.1.6 Ungleichförmige Kreisbewegung 1.2 Kräfte 1.2.1 Newtonsche Axiome 1.2.2 Schwerkraft als Sonderform der Gravitationskraft 1.2.3 Auftrieb 1.2.4 Reibung 1.2.5 Sedimentation 1.2.6 Zentrifugalkraft als Trägheitskraft 1.2.7 Zentrifugation 1.2.8 Drehmoment 1.2.9 Drehmomentengleichgewichte 1.3 Erhaltungsgrößen der Mechanik 1.3.1 Arbeit und Energie 1.3.2 Leistung 1.3.3 Energieerhaltungssatz 1.3.4 Impuls, Impulserhaltungssatz 1.3.5 Elastischer und inelastischer Stoß 1.3.6 Drehimpuls, Drehimpulserhaltungssatz 1.4 Übersicht Translation vs. 2. Mechanik: Deformation von Körpern 2.1 Grundlagen 2.1.1 Elastische versus plastische Deformation 2.1.2 Feder als elastisches Element 2.2 Grundtypen der elastischen Verformung 2.2.1 Dehnung und Stauchung 2.2.2 Allseitige Kompression 2.2.3 Biegung 2.2.4 2.2.5 Verdrillung 2.3 Plastische Deformation 2.3.1 Definitionen 2.3.2 Elastisches und viskoses Verhalten als Grenzfälle 2.3.3 Viskoelastizität 2.4 Materialeigenschaften und Schutzstrategien gegenüber Deformationen 2.4.1 Hohlzylinder 2.4.2 Innere Struktur von Röhrenknochen 2.4.3 Viskoelastische Elemente der 2.4.4 Das System Hyaluronsäure-Wasser als effizienter Stoßdämpfer 2.4.5 Plastische Materialien in der Zahnheilkunde 3. Mechanik: Drücke und Strömungen 3.1 Druck als mechanische Größe 3.1.1 Molekulares Bild des 3.1.2 Luftdruck und barometrische Höhenformel 3.1.3 Luft als Gasgemisch 3.1.4 Schweredruck 3.1.5 Stempeldruck 3.1.6 Druckmessung 3.2 Strömungen 3.2.1 Grundgesetz der Hydrodynamik 3.2.2 Kontinuitätsgleichung 3.2.3 Laminare und turbulente Strömung 3.2.4 Gesetz von Hagen-Poiseuille 3.2.5 Strömungswiderstand in parallel geschalteten Gefäßen 3.2.6 Gleichung von Bernouilli 3.3 Blutkreislauf 3.3.1 Herz als 3.3.2 Windkesselfunktion 3.3.3 Auftreten von Turbulenzen 3.3.4 Durchblutung von Organen und Geweben 3.3.5 Blut als nicht-newtonsche Flüssigkeit 3.3.6 Stenosen und Aneurysmen 3.4 Weitere Anwendungen der Strömungsgesetze 3.4.1 Funktion von Ventilen und Klappen 3.4.2 Ausströmphänomene 3.4.3 Erzeugung von Unterdruck 3.4.4 Dynamischer Auftrieb 4. Mechanik: Grenzflächenphänomene 4.1 Grundlagen 4.1.1 Grenzflächen 4.1.2 Kohäsion versus Adhäsion, Benetzung 4.1.3 Oberflächenenergie 4.1.4 Kohäsionsdruck 4.2 Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenspannung 4.2.1 Spreizung von Flüssigkeitslamellen 4.2.2 Abreißmethode 4.2.3 Tropfengröße 4.2.4 Kapillare Steighöhe 4.3 Anwendungen 4.3.1 Oberflächenaktive Substanzen 4.3.2 Wasserabweisende Beschichtung 4.3.3 Strukturbildung durch amphiphile Stoffe in biologischen Systemen 5. Elektrik: Elektrische Felder 5.1 Kenngrößen eines elektrischen Feldes 5.1.1 Elektrische Ladung 5.1.2 Elektrische Kraft 5.1.3 Homogene und inhomogene elektrische Felder 5.1.4 Ladungen im elektrischen Feld 5.2 Elektrischer Dipol 5.2.1 Dipolmoment 5.2.2 Elektrisches Feld eines Dipols 5.2.3 Elektrokardiogramm (EKG) 5.2.4 Dipol-Dipol-Wechselwirkungen 6. Elektrik: Elektrische Ströme 6.1 Grundlagen 6.1.1 Ohmsche Gesetz 6.1.2 Elektrischer Widerstand und Leitwert 6.1.3 Stromfluss und Wirkungen des elektrischen Stromes 6.2 Ionen und geladene Teilchen in Lösung 6.2.1 Elektrolytische Leitfähigkeit 6.2.2 Kolloidale Teilchen im elektrischen Feld 6.2.3 Elektrophorese 6.3 Gleichstromkreis 6.3.1 Elektrische Energie und Leistung 6.3.2 Kirchhoffsche Regeln 6.3.3 Reihen- und Parallelschaltung elektrischer Widerstände 6.3.4 Widerstandsmessung 6.3.5 Innenwiderstand einer Spannungsquelle 6.3.6 Plattenkondensator 6.4 Magnetische Wirkung elektrischer Ströme 6.4.1 Magnetfelder (elektrische Leiter, Spule) 6.4.2 Magnetfelder (Erde, Permanentmagnet) 6.4.3 Lorentzkraft 6.4.4 Magnetische Flussdichte und magnetischer Fluss 6.4.5 Dia-, Para- und Ferromagnetismus 6.4.6 Selbstinduktion 6.5 Wechselstromkreis 6.5.1 Kenngrößen einer sinusförmigen Wechselspannung 6.5.2 Ohmscher und kapazitiver Widerstand im Wechselstromkreis 6.5.3 Kombination von ohmschen und kapazitiven Widerstand 6.5.4 Induktiver Widerstand im Wechselstromkreis 6.5.5 Elektrische Leistung im Wechselstromkreis 6.5.6 Schwingkreise 6.5.7 Elektromagnetische Induktion 6.6 Anwendungen von Wechselströmen 6.6.1 Elektrische Eigenschaften von Geweben 6.6.2 Niederfrequente elektrische Ströme 6.6.3 Hochfrequenztherapie und -anwendungen 6.7 Komplexe periodische Signale 6.7.1 Fourier-Analyse anharmonischer Schwingungen 6.7.2 Grundlagen der Registrierung von Signalen 6.7.3 Oszilloskop 7. Magnetische Kernresonanz 7.1 Kernspin und Magnetfelder 7.1.1 Interaktion magnetischer Dipole mit starken Magnetfeldern 7.1.2 Kernresonanz 7.1.3 Technische Anforderungen 7.2 Kernresonanzspektroskopie 7.2.1 Eindimensionale Kernresonanzspektroskopie 7.2.2 Zwei- und mehrdimensionale Kernresonanzspektroskopie 7.3 Kernspintomographie 7.3.1 Ortsauflösung 7.3.2 Impulstechniken zur Kontrastverbesserung 7.3.3 Darstellungsarten 8. Wärmelehre 8.1 Wärme als Energieform 8.1.1 Absolute Temperatur 8.1.2 Temperaturskalen 8.1.3 Grundgleichung der Kalorik 8.1.4 Phasenübergänge 8.1.5 Wärmeausgleichprozesse 8.2 Temperaturmessung 8.2.1 Ausdehnung von Festkörpern und Flüssigkeiten 8.2.2 Widerstandsthermometer 8.2.3 Thermoelement 8.2.4 Weitere Verfahren 8.3 Gasgesetze 8.3.1 Zustandsgleichung idealer Gase 8.3.2 Zustandsänderungen idealer Gase 8.3.3 Atmung 8.4 Hauptsätze der Wärmelehre 8.4.1 Erster Hauptsatz 8.4.2 Zweiter Hauptsatz 8.4.3 Grundzüge der Thermodynamik offener Systeme 8.5 Wärmetransportmechanismen 8.5.1 Wärmebilanz in höheren Organismen 8.5.2 Wärmeleitung 8.5.3 Konvektion 8.5.4 Verdunstung 8.5.5 Wärmestrahlung 9. Transportphänomene und Membranpotenziale 9.1 Brownsche Bewegung 9.2 Diffusion 9.2.1 Diffusion als Verteilungsphänomen 9.2.2 Diffusionsgesetz 9.2.3 Diffusion von gelösten Gasen 9.2.4 Permeation von Stoffen durch biologische Membranen 9.2.5 Passiver und aktiver Transport 9.3 Osmose 9.3.1 Semipermeabilität 9.3.2 Pfeffersche Zelle 9.3.3 Gleichung von van't Hoff 9.3.4 Isotonie, Hypotonie und Hypertonie 9.3.5 Zellwanddruck pflanzlicher 9.4 Membran-Potenziale 9.4.1 Diffusionsspannung 9.4.2 Kolloidosmotischer Druck und Donnan-Potenzial 9.4.3 Ionen in Zellen 9.4.4 Ruhepotenzial 9.4.5 Aktionspotenzial 10. Erzeugung und Anwendung von Röntgenstrahlung 10.1 Röntgenstrahlen als elektromagnetische Welle 10.2 Erzeugung von Röntgenstrahlen 10.2.1 Aufbau einer Röntgenröhre 10.2.2 Spektrum der Strahlung einer Röntgenröhre 10.3 Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie 10.3.1 Absorption von Röntgenstrahlen 10.3.2 Mechanismen der Absorption von Röntgenstrahlen 10.3.3 Schwächung von Röntgenstrahlung im Organismus 10.4 Durchleuchtung 10.5 Computertomographie 10.6 Röntgenkleinwinkelstreuung 11. Radioaktivität 11.1 Atomkerne 11.1.1 Bau der Atomkerne 11.1.2 Massendefekt 11.1.3 Kernspaltung und -fusion 11.1.4 Nuklidkarte 11.1.5 Natürliche und künstliche Radionuklide 11.2 Zerfall instabiler Kerne 11.2.1 a-Zerfall 11.2.2 b--Zerfall 11.2.3 b+-Zerfall 11.2.4 K-Einfang 11.2.5. Zerfallsreihen 11.3 Eigenschaften radioaktiver Strahlung 11.3.1 a-Strahlung 11.3.2 b-Strahlung 11.3.3 g-Strahlung 11.3.4 Metastabile Radionuklide 11.4 Kenngrößen des radioaktiven Zerfalls 11.4.1 Aktivität eines radioaktiven Präparates 11.4.2 Zerfallsgesetz 11.4.3 Physikalische Halbwertszeit 11.4.4 Mittlere Lebensdauer 11.5 Wichtige Nachweisverfahren für radioaktive Strahlung 11.5.1 Autoradiographie 11.5.2 Zählrohre 11.5.3 Szintillationszähler 11.6 Anwendungen radioaktiver Strahlung 11.6.1 Markierung biologisch wichtiger Moleküle 11.6.2 Altersbestimmungen 11.6.3 Strahlentherapie 11.6.4 Szintigraphie 11.6.5 Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie 11.6.6 Positronen-Emissions-Tomographie 12. Strahlenschutz und Dosimetrie 12.1 Generelle Maßnahmen des Strahlenschutzes 12.2 Dosimetrie 12.2.1 Grundgrößen der Dosimetrie 12.2.2 Strahlungsmessgeräte 12.3 Strahlenbelastung 12.3.1 Natürliche und künstliche Strahlenbelastung 12.3.2 Strahlenbelastung durch medizinische Untersuchungstechniken 12.3.3 Schäden durch Strahlung, Strahlenkrankheit 13. Akustik 13.1 Schallwellen 13.1.1 Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle 13.1.2 Wellenlänge und Frequenz 13.2 Schallfeldgrößen 13.2.1 Schallwechseldruck 13.2.2 Schallschnelle 13.2.3 Schallwellenwiderstand 13.2.4 Schallintensität 13.3 Hörschall 13.3.1 Aufbau des menschlichen Ohres 13.3.2 Lautstärke 13.3.3 Hörfeld des Menschen 13.3.4 Erzeugung von Hörschall 13.4 Ultraschall 13.4.1 Erzeugung und Nachweis von Ultraschall 13.4.2 Kontinuierlicher und Impuls-Betrieb 13.4.3 Reflexion von Ultraschall 13.4.4 Absorption von Ultraschall 13.4.5 Grundlagen der Sonographie 13.4.6 Applikationsformen der Sonografie 13.4.7 Doppler-Effekt 13.4.8 Sonografische Anwendungen des Doppler-Effekts 13.4.9 Wirkungen und weitere Anwendungen von Ultraschall 14. Optik: Ausbreitung und Detektion von Licht 14.1 Spektrale Zerlegung von Licht 14.1.1 Licht als elektromagnetische Welle 14.1.2 Dispersion der Brechzahl 14.1.3 Erzeugung von monochromatischen Licht 14.2 Nachweis von Licht 14.3 Schwächung von Licht 14.3.1 Maße für die Schwächung von Licht 14.3.2 Lambert-beer'sches Gesetz 14.3.3 Aufbau von Photometer und Spektrometer 14.4 Mechanismen von Absorption und Emission von Licht 14.4.1 Absorption 14.4.2 Lumineszenz 14.4.3 Fluoreszenz 14.4.4 Fluoreszenzlöschung 14.5 Polarisation von Licht 14.5.1 Erzeugung von polarisiertem Licht 14.5.2 Optische Aktivität 14.6 Phänomene der Ausbreitung von Licht 14.6.1 Reflexion 14.6.2 Brechung 14.6.3 Totalreflexion 14.6.4 Polarisation von Licht bei Reflexion und Brechung 14.6.5 Doppelbrechung 14.6.6 Circulardichroismus 15. Optik: Abbildung von Gegenständen 15.1 Optische Abbildung 15.2 Spiegel 15.3 Linsen 15.3.1 Allgemeine Eigenschaften von Linsen 15.3.2 Kenngrößen einer Linse 15.3.3 Brechwert einer Linse 15.3.4 Abbildungsgleichung 15.3.5 Zusammengesetzte Linsensysteme 15.3.6 Bildkonstruktion an dünnen Linsen 15.3.7 Abbildungsfehler 15.4 Auge 15.4.1 Brechende Systeme des Auges 15.4.2 Akkomodation 15.4.3 Modell des reduzierten Auges 15.4.4 Fehlsichtigkeiten und ihre Korrektur 15.4.5 Sinneswahrnehmung 15.4.6 Auflösungsvermögen 15.5 Lupe 15.6 Mikroskop 15.6.1 Strahlenverlauf am Mikroskop 15.6.2 Auflösungsvermögen 15.6.3 Förderliche Vergrößerung 15.4.4 Amplituden- und Phasenkontrast 15.7 Ausgewählte Verfahren der Lichtmikroskopie 15.7.1 Phasenkontrastmikroskopie 15.7.2 Dunkelfeldmikroskopie 15.7.3 Polarisationsmikroskopie 15.7.4 Interferenzkontrastmikroskopie 15.7.5 Fluoreszenzmikroskopie 15.7.6 Konfokale Mikroskopie 15.8 Elektronenmikroskop 15.8.1 Welleneigenschaften von Elektronen 15.8.2 Auflösungsvermögen 15.8.3 Transmissionselektronenmikroskopie 15.8.4 Rasterelektronenmikroskopie