Physik

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.

Inhalt

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 u…