Physik fr Mediziner und Zahnmediziner Vorlesung 17 Prof

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Physik für Mediziner und Zahnmediziner Vorlesung 17 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) --

Physik für Mediziner und Zahnmediziner Vorlesung 17 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 1

das Auge: feste Bildweite, variable Brechkraft (Brennweite) rch ung u d n Kan nkrümm

das Auge: feste Bildweite, variable Brechkraft (Brennweite) rch ung u d n Kan nkrümm ! n e Lins rt werde e varii variable Größen: Gegenstandweite g Brechkraft φ (Brennweite f) Steigung =1 Gradengleichung n. Wasser und Bildweite b 0 sind im Auge konstant! Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 2

normalsichtiges Auge om m o ons h k k i A dat reic be

normalsichtiges Auge om m o ons h k k i A dat reic be Akkommodationsbreite b 0: Bildweite (des normalsichtigen Auges: ca. 22. 8 mm) g. N: Nahpunkt (Auge „angespannt“) g. F: Fernpunkt (Auge „entspannt“) Fernpunkt = ∞ Nahpunkt ca. 10 cm b 0 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 3

Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 4

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Fehlsichtigkeiten normal Compare ! Hypermetrie (Weitsichtigkeit) Compare ! Myopie (Kurzsichtigkeit) Prof. F. Wörgötter (nach

Fehlsichtigkeiten normal Compare ! Hypermetrie (Weitsichtigkeit) Compare ! Myopie (Kurzsichtigkeit) Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 5

Fehlsichtigkeiten normal Compare ! Hypermetrie (Weitsichtigkeit) Compare ! Myopie (Kurzsichtigkeit) Prof. F. Wörgötter (nach

Fehlsichtigkeiten normal Compare ! Hypermetrie (Weitsichtigkeit) Compare ! Myopie (Kurzsichtigkeit) Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 6

Myopie: Kurzsichtigkeit Akkommodationsbereich ist verschoben! b 0 Akkommodationsbreite bleibt gleich b>b 0 Bulbus zu

Myopie: Kurzsichtigkeit Akkommodationsbereich ist verschoben! b 0 Akkommodationsbreite bleibt gleich b>b 0 Bulbus zu lang, d. h. b. M > b 0 Nahpunkt liegt näher als normal. Fernpunkt liegt im Endlichen, dahinter wird‘s unscharf! Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 7

Myopie: Korrektur durch Zerstreuungslinse Akkommodationsbereich Nötig: Korrektur durch Verringerung der Brechkraft um Δφ unerwünschter

Myopie: Korrektur durch Zerstreuungslinse Akkommodationsbereich Nötig: Korrektur durch Verringerung der Brechkraft um Δφ unerwünschter Term Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 8 Zerstr. Linse

Hypermetrie: Weitsichtigkeit normal b 0 b<b 0 Bulbus zu kurz, d. h. b. H

Hypermetrie: Weitsichtigkeit normal b 0 b<b 0 Bulbus zu kurz, d. h. b. H < b 0 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 9

Hypermetrie: Weitsichtigkeit Akkommodationsbereich verkleinert b 0 b<b 0 Bulbus zu kurz, d. h. b.

Hypermetrie: Weitsichtigkeit Akkommodationsbereich verkleinert b 0 b<b 0 Bulbus zu kurz, d. h. b. H < b 0 Nahpunkt in der Ferne Fernakkomodation ist jedoch möglich durch spannen der Ziliarmuskeln (aktiv), ist ermüdend (da dies ja fast dauernd auftritt). Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 10

Hypermetrie: Korrektur durch Sammellinse Akkommodationsbereich Sammel Linse unerwünschter Term Prof. F. Wörgötter (nach M.

Hypermetrie: Korrektur durch Sammellinse Akkommodationsbereich Sammel Linse unerwünschter Term Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 11

Hypermetrie: Korrektur durch Sammellinse Akkommodationsbereich Sammel Linse ungewünschter Term Prof. F. Wörgötter (nach M.

Hypermetrie: Korrektur durch Sammellinse Akkommodationsbereich Sammel Linse ungewünschter Term Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 12

Akkommodationsbereich Alterssichtigkeit (Presbyopie) A Akkommodationsbreite [dpt] Verringerung der Akkommodationsbreite A Folge: Nahpunkt g. N

Akkommodationsbereich Alterssichtigkeit (Presbyopie) A Akkommodationsbreite [dpt] Verringerung der Akkommodationsbreite A Folge: Nahpunkt g. N rückt in große Entfernung 12 8 4 0 10 20 30 40 50 Alter [Jahre] Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 13 60

Akkommodationsbereich Presbyopie: Korrektur durch Sammellinse Korrektur: Sammellinse: rückt Nahpunkt in die deutliche Sehweite (g

Akkommodationsbereich Presbyopie: Korrektur durch Sammellinse Korrektur: Sammellinse: rückt Nahpunkt in die deutliche Sehweite (g 0= 25 cm) „Raufschieben“ des Akk. Bereichs damit aber… A Folge: Fernpunkt rückt ins Endliche daher: Gleitsichtgläser oder „halbe“ Brillen Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 14

Vergleich Kurz Normal Weit Altersweit Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für

Vergleich Kurz Normal Weit Altersweit Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 15

Nahpunkt eines normalsichtigen Auges: Aufgabe Für ein normalsichtiges Auge liegt der Fernpunkt g. F

Nahpunkt eines normalsichtigen Auges: Aufgabe Für ein normalsichtiges Auge liegt der Fernpunkt g. F im Unendlichen. Berechnen Sie die Lage des Nahpunktes g. N unter der Annahme, dass die Akkommodationsbreite des Auges A=10 dpt beträgt. Beachten Sie, dass die Bildweite für alle Gegenstandweiten konstant ist! g. N Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 16

Vergleich: Einfache Augen-Komplexe Augen Becherauge (einfach) Vorteil: Abbildungen sind immer „blenden“-scharf! Keine Fehlsichtigkeiten! Becherauge

Vergleich: Einfache Augen-Komplexe Augen Becherauge (einfach) Vorteil: Abbildungen sind immer „blenden“-scharf! Keine Fehlsichtigkeiten! Becherauge (komplexer) Aber: geringe Schärfe bei offener Blende oder wenig Lichtstärke bei kleiner Blende. Nautilus Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 17

Vergleich: Einfache Augen-Komplexe Augen Linsenauge Riesenkalmar (Auge ähnlich Menschenauge!) Hohe Lichtstärke, Regelbare Schärfe Aber:

Vergleich: Einfache Augen-Komplexe Augen Linsenauge Riesenkalmar (Auge ähnlich Menschenauge!) Hohe Lichtstärke, Regelbare Schärfe Aber: Fehlsichtigkeiten können entstehen. Mensch Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 18

Abbildungsfehler (Aberrationen) Experimente Farbfehler (chromatische Aberration) monochromatisch Beobachtung: polychromatisch Deutung: Öffnungsfehler (sphärische Aberration) R.

Abbildungsfehler (Aberrationen) Experimente Farbfehler (chromatische Aberration) monochromatisch Beobachtung: polychromatisch Deutung: Öffnungsfehler (sphärische Aberration) R. Mettin (nach M. Seibt und W. Glatzel) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner

Abbildungsfehler Chromatische Aberration Astigmatismus (Stabsichtigkeit) Sphärische Aberration Achtung: Physikalisch ist Astigmatismus als Abbildungsfehler durch

Abbildungsfehler Chromatische Aberration Astigmatismus (Stabsichtigkeit) Sphärische Aberration Achtung: Physikalisch ist Astigmatismus als Abbildungsfehler durch Verkippung des Strahls gegen die Hautpachse der Linse definiert. Auch hier bekommt man an Stelle eines Brennpunktes nun eine „Brennlinie“ Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 20

Abbildungsfehler Annahmen für die bisherigen Überlegungen: • Annahme 1: Strahlen sind achsennah (kleine Winkel)

Abbildungsfehler Annahmen für die bisherigen Überlegungen: • Annahme 1: Strahlen sind achsennah (kleine Winkel) Abweichungen: sphärische Aberration (Öffnungsfehler) Effekt: achsenferne Strahlen haben kürzere Brennweiten (winkelabhängige Brennweite) Abhilfe: achsenferne Strahlen ausblenden • Annahme 2: Brechungsindex für alle Wellenlängen gleich Abweichungen: chromatische Aberration (Farbfehler) Effekt: kurzwelliges Licht kürzere Brennweiten (wellenlängenabhängige Brennweiten) • Annahme 3: Linsenkrümmung in alle Richtungen gleich Abweichungen: medizinscher Astigmatismus (physiologisch normal 0. 5 dpt!) Effekt: unterschiedliche Brennweiten für verschiedene Achsen Abhilfe: Zylinderlinsen zur Korrektur Bei Abbildungen durch Spiegel gibt es keine Wellenlängenabhängigkeit, d. h. keine Abbildungsfehler! Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 21

Auflösungsgrenzen: Beugung an Öffnungen Experimente Beugung am Spalt Beugung an Lochblende Beobachtung: Deutung: Prof.

Auflösungsgrenzen: Beugung an Öffnungen Experimente Beugung am Spalt Beugung an Lochblende Beobachtung: Deutung: Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 22

Beugung (Diffraktion) Die Beugung oder Diffraktion ist die „Ablenkung“ von Wellen (wie Licht- und

Beugung (Diffraktion) Die Beugung oder Diffraktion ist die „Ablenkung“ von Wellen (wie Licht- und anderen elektromagnetischen Wellen, Wasser- oder Schallwellen) an einem Hindernis. Bei Beugungserscheinungen kann sich die Welle im geometrischen Schattenraum des Hindernisses (Spalt, Gitter, Fangspiegel usw. ) ausbreiten. Diese Effekte entstehen wenn das Hindernis (oder die Öffnung) etwa so klein ist wie die Wellenlängen des Lichts Überlagerung von solchen Effekten erzeugt Unschärfe und reduziert die Auflösung bei einer Abbildung. Wenn der Lochdurchmesser deutlich kleiner ist als die Wellenlänge, entstehen dahinter Kugelwellen. Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 23

Beugung (Diffraktion) Beugungsmuster an einem Spalt Beugung ist (auch) wellenlängenabhängig Prof. F. Wörgötter (nach

Beugung (Diffraktion) Beugungsmuster an einem Spalt Beugung ist (auch) wellenlängenabhängig Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 24

Versuch: Beugung an der Lochblende Objekte Der Begriff des Auflösungsvermögens Bilder λ klein λ

Versuch: Beugung an der Lochblende Objekte Der Begriff des Auflösungsvermögens Bilder λ klein λ gross Beugungseffekte begrenzen das Auflösungsvermögen eines Mikroskops. Das ist wiederum wellenlängenabhängig! Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 25

Beugungsgrenzen der Fokussierung Ausbreitung von Wellen der Wellenlänge l hinter Linsen mit Durchmesser (Apertur)

Beugungsgrenzen der Fokussierung Ausbreitung von Wellen der Wellenlänge l hinter Linsen mit Durchmesser (Apertur) D : Durch Linse oder Hohlspiegel fokussierte Welle bildet in Fokusebene ein “Beugungsscheibchen” mit Durchmesser d. Es gilt d ~ l und d ~ (1/D) ! R. Mettin (nach M. Seibt und W. Glatzel) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner

Auflösungsgrenze des Auges Für unser Auge ergibt sich mit f ~ 24 mm, D

Auflösungsgrenze des Auges Für unser Auge ergibt sich mit f ~ 24 mm, D ~ 4 mm (Pupille), r = d/2 = 1, 22 f l / D l ~ 600 nm / 1, 33 = 450 nm ein Beugungsscheibchen von ca. 7 mm Durchmesser. Dies entspricht etwa dem Abstand der Rezeptorzellen !!! Kleinerer Rezeptorabstand (falls physiologisch möglich) würde also nicht mehr Auflösung bringen. R. Mettin (nach M. Seibt und W. Glatzel) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner

Geometrische Optik: Lernziele • Brennweiten von Kugelflächen • Bildkonstruktionen bei Vorgabe von Brennweiten, Knotenpunkten,

Geometrische Optik: Lernziele • Brennweiten von Kugelflächen • Bildkonstruktionen bei Vorgabe von Brennweiten, Knotenpunkten, Hauptebene, … • vereinfachtes Abbildungsmodell des Auges • Abbildungsgleichung: dünne Linse in Luft • zusammengesetztes optisches System • Abbildungsgleichung: Auge • Bedeutung von Nahpunkt, Fernpunkt, Akkommodationsbreite • Fehlsichtigkeiten • Aberrationen Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 28

Kern- und Atomphysik • Warum Kern- und Atomphysik: Anwendungen in der Medizin (bildgebende Verfahren)

Kern- und Atomphysik • Warum Kern- und Atomphysik: Anwendungen in der Medizin (bildgebende Verfahren) • Theorie • Strahlenschäden beim Menschen. • Erklärung der Funktionsweise der bildgebenden Verfahren. Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 29

Bildgebende Verfahren: Röntgenaufnahme, CT, Szintigraphie, PET, MRT. . . Atomphysik Kernphysik PET Röntgen CT

Bildgebende Verfahren: Röntgenaufnahme, CT, Szintigraphie, PET, MRT. . . Atomphysik Kernphysik PET Röntgen CT MRT Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 30

Projektion Transmission von Röntgenstrahlung Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner

Projektion Transmission von Röntgenstrahlung Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 31

Projektion Szintigramm Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner

Projektion Szintigramm Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 32

Tomographie … Rekonstruktion (mathematische Berechnung) eines 2 - oder 3 dimensionalen Bildes aus (zahlreichen)

Tomographie … Rekonstruktion (mathematische Berechnung) eines 2 - oder 3 dimensionalen Bildes aus (zahlreichen) Projektionen Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 33

Tomographie … Rekonstruktion (mathematische Berechnung) eines 2 - oder 3 dimensionalen Bildes aus (zahlreichen)

Tomographie … Rekonstruktion (mathematische Berechnung) eines 2 - oder 3 dimensionalen Bildes aus (zahlreichen) Projektionen Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 34

die „natürliche“ Energieeinheit der Atom- und Kernphysik: Elektronenvolt (e. V) + Definition des elektrischen

die „natürliche“ Energieeinheit der Atom- und Kernphysik: Elektronenvolt (e. V) + Definition des elektrischen Feldes: d oder auch (Kraft/Probeladung): Plattenkondensator damit Arbeit W (Kraft mal Weg): (das war schon mal dran: Elektr. Eng = Spannung mal Ladung!) Sei: Und: die Elementarladung (Ladung des Elektrons) Damit: Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 35

die „natürliche“ Energieeinheit der Atom- und Kernphysik: Elektronenvolt (e. V) potentielle Energie einer Ladung

die „natürliche“ Energieeinheit der Atom- und Kernphysik: Elektronenvolt (e. V) potentielle Energie einer Ladung q nach Durchlaufen der elektrischen Spannung (Potentialdifferenz) U: Definition: 1 Elektronenvolt (e. V) ist die Energie einer Elementarladung e nach Durchlaufen der elektrischen Spannung U=1 V 1 e. V= 1. 602∙ 10 -19 As. V= 1. 602∙ 10 -19 J Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 36

Atomphysik ist relativistisch! Teilchen bewegen sich oft sehr schnell! (nahe der Lichtgeschw. ) Damit

Atomphysik ist relativistisch! Teilchen bewegen sich oft sehr schnell! (nahe der Lichtgeschw. ) Damit ist die Masse eines Teilchens NICHT mehr als konstant aufzufassen. (Newton‘sche Mechanik gilt nicht mehr!) Man definiert als Ruhemasse: m(v=0) = m 0 Weiterhin gilt die (berühmte) Massen-Energie Äquivalenz: Es ist: Bei einem Gramm Masse ergibt sich: Vergleich: Potentielle Energie mgh: Bei einem 10 t schweren Körper (LKW) erhält man etwa die selbe Energie wenn man diesen auf 100000 km anheben würde (1/3 der Strecke von der Erde zum Mond). Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 37

Wirkung von Atomexplosionen Da jeder gespaltene Uran- oder Plutoniumkern etwa 213 Millionen Elektronenvolt (213

Wirkung von Atomexplosionen Da jeder gespaltene Uran- oder Plutoniumkern etwa 213 Millionen Elektronenvolt (213 Me. V) freisetzt, liefern etwa 2 × 1024 Kernspaltungen eine Energie von 20000 Tonnen TNT, die Sprengkraft der ersten Atombombe. Dies entspräche nur etwa 850 g reiner Masse bezogen auf Plutonium (239 Pu: Masse ist ca. 239 u), welche in reine Energie umgewandelt würde. (Achtung, der Prozess ist in Wirklichkeit viel komplexer!) Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 38

Wirkung von Atomexplosionen Schatten einer Person… Hiroshima nach dem Angriff Die stärksten je gezündeten

Wirkung von Atomexplosionen Schatten einer Person… Hiroshima nach dem Angriff Die stärksten je gezündeten Bomben waren „Castle Bravo“ (USA, x 1000) und AN 602 (USSR, x 4000) Faktoren relativ zur Hiroshima Bombe. Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 39

Das Atom Aus WIKIPedia: Die früheste bekannte Erwähnung des Atomkonzepts in der Philosophie stammt

Das Atom Aus WIKIPedia: Die früheste bekannte Erwähnung des Atomkonzepts in der Philosophie stammt aus dem 6. Jahrhundert v. Chr. aus Indien. Die Nyaya- und Vaisheshika-Schulen entwickelten ausgearbeitete Theorien, wie sich Atome zu komplexeren Gebilden zusammenschlössen (erst in Paaren, dann je drei Paare). Die Atomvorstellung in der griechischen Philosophie ist erstmals von Leukipp überliefert, dessen Schüler Demokrit seine Vorstellungen systematisierte. Etwa 450 v. Chr. prägte Demokrit den Begriff átomos, was etwa „das Unzerschneidbare“ bedeutet, also ein nicht weiter zerteilbares Objekt bezeichnet. In der Zeit des Hellenismus vertrat Epikur eine Atomtheorie. Obwohl die indischen und griechischen Atomvorstellungen rein philosophischer Natur waren, hat die moderne Chemie die Bezeichnung von Demokrit beibehalten. Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 40

Aufbau der Atome wurden lange als kleinste (unteilbare) Teilchen angesehen. Prof. F. Wörgötter (nach

Aufbau der Atome wurden lange als kleinste (unteilbare) Teilchen angesehen. Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 41

Atomaufbau Atomkern: Z positive Ladungen (Protonen) typische Größe d. Atomkerns: fm (10 -15 m)

Atomaufbau Atomkern: Z positive Ladungen (Protonen) typische Größe d. Atomkerns: fm (10 -15 m) Atomhülle: Z negative Ladungen (Elektronen) typische Atomgröße: 0. 1 nm (10 -10 m) Bsp. : Na (Vergleich: Lichtwellenlänge 500 nm) M K L Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 42

Elementarteilchen Atomhülle: • Elektronen 2 c m = – Ladung: qe= -e = -1.

Elementarteilchen Atomhülle: • Elektronen 2 c m = – Ladung: qe= -e = -1. 602∙ 10 -19 As E – Masse: me=9. 1∙ 10 -31 kg ≈ 5. 5∙ 10 -4 u ≡ 511 ke. V = 10 -13 J Atomkern: • Protonen – Ladung: qp= +e = 1. 602∙ 10 -19 As – Masse: 1. 67∙ 10 -27 kg = 1. 007 u = 1836 me • Neutronen: – Ladung: qn=0 – Masse: 1. 67∙ 10 -27 kg = 1. 008 u = 1839 me Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 43

Atomare Masseneinheit Die atomare Masseneinheit (Einheitenzeichen: u für unified atomic mass unit, veraltet amu

Atomare Masseneinheit Die atomare Masseneinheit (Einheitenzeichen: u für unified atomic mass unit, veraltet amu für atomic mass unit) ist eine Maßeinheit der Masse. Sie wird bei der Angabe von Atom- und Molekülmassen verwendet. Ihr Wert ist auf 1/12 der Masse des Kohlenstoff-Isotops 12 C festgelegt. • Protonen – Ladung: qp= +e = 1. 602∙ 10 -19 As – Masse: 1. 67∙ 10 -27 kg = 1. 007 u = 1836 me • Neutronen: – Ladung: qn=0 – Masse: 1. 67∙ 10 -27 kg = 1. 008 u = 1839 me Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 44

Atomaufbau • elektrische Neutralität der Atome liefert: Zahl der Protonen (im Kern) = Zahl

Atomaufbau • elektrische Neutralität der Atome liefert: Zahl der Protonen (im Kern) = Zahl der Elektronen (in der Hülle) Kernladungszahl Z • Massenverhältnisse: mp≈mn≈1800∙me Atommasse (nahezu) vollständig im Kern Massenzahl A = Z + N wobei N: Zahl der Neutronen • Größenverhältnisse: (Bsp. : H-Atom) – Atomradius: 530 pm (pico-meter 10 -12) – Kerndurchmesser (Proton): 1. 7 fm (femto-meter 10 -15) Verhältnis der Radien ca. 60 000 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 45

Atomaufbau: „Isotope“ • Schreibweise • X bezeichnet das chemische Element (z. B. : H,

Atomaufbau: „Isotope“ • Schreibweise • X bezeichnet das chemische Element (z. B. : H, He, C, …) • Kernladungszahl Z: legt Element (und chemische Eigenschaften) fest • Atome mit gleicher Kernladungszahl Z aber unterschiedlichen Neutronenzahlen N (Massenzahlen A) heißen Isotope, da sie an derselben Stelle des Periodensystems stehen (Iso-Topos: „Selber-Platz“) – Bsp. : Wasserstoff, Deuterium, Tritium (sind chemisch gleich, physikalisch jedoch nicht) Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 46

Isotope, Bsp. : Kohlenstoff • Isotope verhalten sich chemisch gleich • Elemente kommen typisch

Isotope, Bsp. : Kohlenstoff • Isotope verhalten sich chemisch gleich • Elemente kommen typisch als Isotopengemisch vor Isotop Häufigkeit T 1/2 10 C künstl. 19, 255 s 11 C künstl. 20, 39 min 12 C 98, 9 % C ist stabil mit 6 Neutronen 13 C 1, 1 % C ist stabil mit 7 Neutronen 14 C in Spuren 5730 a 15 C künstl. 2, 449 s 16 C künstl. 0, 747 s Bem. : da C synonym für Z=6 ist, wird diese Angabe häufig weggelassen Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 47

…was die Welt im Innersten zusammenhält… • abstoßende Coulombkraft zwischen Protonen (positiven Ladungen) im

…was die Welt im Innersten zusammenhält… • abstoßende Coulombkraft zwischen Protonen (positiven Ladungen) im Kern. • anziehende Kraft durch „starke Wechselwirkung“, die zwischen den Nukleonen (Neutronen, Protonen) wirkt. • Faustregel: Z≈N ist stabil. – Bsp. : 12 C: Z=6, N=6, A= Z+N = 12 stabil 13 C: Z=6, N=7, A= Z+N = 13 stabil aber: 14 C: Z=6, N=8 instabil (Archäologie, T 1/2=5730 a). • Kernzerfall – Abgabe von Energie in Form von ionisierender Strahlung (hohe Energie! ca. oft 1 Me. V pro Zerfall) Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 48

Zerfall von 14 C das radioaktive Isotop 14 C zerfällt in das stabile 14

Zerfall von 14 C das radioaktive Isotop 14 C zerfällt in das stabile 14 N • Nukleonenbilanz: – vorher: Z=6, N=8, A=14 – nachher: Z=7, N=7, A=14 Nukleonenzahl bleibt erhalten (gilt immer für ALLE Kernreaktionen) • Ladungsbilanz: – vorher: Z=6 – nachher: Z=7 aufgrund der Ladungserhaltung muss eine no i r t u e n i t negative Ladung beim Zerfall entstehen. An - El ron t k e Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 49

Zerfall von 14 C • Zerfall unter Emission von Elektronen wird β--Zerfall genannt oder

Zerfall von 14 C • Zerfall unter Emission von Elektronen wird β--Zerfall genannt oder Elektron-Antineutrino • Erhaltungssätze gelten! (für Nukleonen UND auch für leichte Teilchen) • Nettoreaktion: Eigenschaften: –negative elektrische Ladung (q=-1 e) –kleine Masse (me≈u/1840) –ablenkbar in elektrischen und magnetischen Feldern Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 50

Zerfall von 14 C Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner

Zerfall von 14 C Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 51

β--Zerfall Beta-Strahler: Thallium 208 zerfällt zu Blei 208 Absorption durch verschiedene Materialien Ablenkung durch

β--Zerfall Beta-Strahler: Thallium 208 zerfällt zu Blei 208 Absorption durch verschiedene Materialien Ablenkung durch Magnetfeld. Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 52

β+-Zerfall Elektron-Neutrino oder s Po n itro Nettoreaktion: Eigenschaften: –positive elektrische Ladung (q=+1 e)

β+-Zerfall Elektron-Neutrino oder s Po n itro Nettoreaktion: Eigenschaften: –positive elektrische Ladung (q=+1 e) –kleine Masse (me≈u/1840) –ablenkbar in elektrischen und magnetischen Feldern Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 53

Bsp. : Z=84, Polonium (210 Po) eine Auswahl möglicher Isotope (es gibt 11) Isotop

Bsp. : Z=84, Polonium (210 Po) eine Auswahl möglicher Isotope (es gibt 11) Isotop Häufigkeit T 1/2 210 Po 99, 998 % 138, 376 d 212 Po 2· 10− 14 304 ns 214 Po 1 · 10− 11 164 μs 216 Po 1 · 10− 8 0, 15 s 218 Po 1, 6 · 10− 5 3, 05 min A. Litwinenko Radioaktive Substanz im Körper (Stern vom 24. 11. 2006) Der frühere KGB-Agent Alexander Litwinenko ist an dem radioaktiven Stoff Polonium 210 gestorben. Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 54

α-Zerfall Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 55

α-Zerfall Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 55

Bsp. : Z=84, Polonium (210 Po) Ladungs- und Nukleonenerhaltung liefert: Prof. F. Wörgötter (nach

Bsp. : Z=84, Polonium (210 Po) Ladungs- und Nukleonenerhaltung liefert: Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 56

Bsp. : Z=84, Polonium (210 Po) entstehende Strahlung besteht aus 2 -fach positiv geladenen

Bsp. : Z=84, Polonium (210 Po) entstehende Strahlung besteht aus 2 -fach positiv geladenen Heliumkernen α-Strahlung Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 57

α-Zerfall formal Eigenschaften: – zweifach positive geladen (q=+2 e) – große Masse (mα≈4 u)

α-Zerfall formal Eigenschaften: – zweifach positive geladen (q=+2 e) – große Masse (mα≈4 u) – ablenkbar in elektrischen und magnetischen Feldern (wegen höherer Masse jedoch schwächer als beim b-Zerfall) Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 58

Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 59

Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 59

Fehlsichtigkeiten Experimente Beobachtung: Deutung: Hyperopie Myopie Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik

Fehlsichtigkeiten Experimente Beobachtung: Deutung: Hyperopie Myopie Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 60

Abbildungsfehler (Aberrationen) Experimente Farbfehler (chromatische Aberration) monochromatisch Beobachtung: polychromatisch Deutung: Öffnungsfehler (sphärische Aberration) Prof.

Abbildungsfehler (Aberrationen) Experimente Farbfehler (chromatische Aberration) monochromatisch Beobachtung: polychromatisch Deutung: Öffnungsfehler (sphärische Aberration) Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 61