Basics, Physik in Biologie und Medizin |
Radioaktive Strahlung ist im allgemeinen schlecht für den menschlichen Körper. Aber wie alles Schlechte macht die Dosis das Problem. Radioaktive Strahlung entsteht durch den Zerfall von Atomkernen, sogenannter Radionuklide. Nuklearmedizin macht sich diese Strahlung in zwei verschiedenen Aspekten zunutze.
- Bildgebende Verfahren. Werden radioaktive Atome vom Körper aufgenommen und in bestimmten Bereichen angereichert, kann man messen, wo das ist, und daraus ein Bild berechnen.
- Zerstörung von Krebszellen. Hier wird die Energie der Strahlung ausgenutzt, um gezielt Zellen zu zerstören. Damit die umgebenden gesunden Zellen nicht geschädigt werden, wird der Strahl um das Ziel herum gedreht, damit er größere Flächen überstreicht und nur das Zentrum dauerhaft trifft.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Nuklearmedizin
Diese Texte sind Starthilfen zum Lernen. Sie geben Ihnen einen Einblick, worum es bei dem Thema geht. Die Idee. Achtung: Es ist möglicherweise nicht unbedingt genau das, was Ihr:e Prüfer:in darüber hören möchte. Es ist auch nicht der ganze Stoff. Machen Sie sich nach dem Lesen des Textes ein eigenes Bild mit Ihren Büchern und den anderen Quellen. Ein freies Online-Schulbuch aus Österreich: https://physikbuch.schule, aus Deutschland: https://www.leifiphysik.de/. Weitere empfehlenswerte Schulbuchreihen der Oberstufe aus Österreich: Big Bang, Sexl, Physik kompakt.
Basics, Physik in Biologie und Medizin |
Wir möchten in den menschlichen Körper hineinschauen – ohne ihn zu „öffnen“. Das ist gar nicht so leicht. Man kann es aber sogar selbst mit der Sonne sehen, wenn sie etwa durch die Ohrmuschel leuchtet. In der Medizin werden folgende Verfahren verwendet:
- Röntgen – Röntgenstrahlen (elektromagnetische Strahlen) „durchleuchten“ den Körper. An den dichteren Stellen (Knochen) werden sie teilweise absorbiert. Ein Bild der inneren Strukturen wird sichtbar. Wird das Ganze Schichtweise mit Computerunterstützung gemacht, wird „ein CT gemacht“ – eine Computertomographie.
- Ultraschall funktioniert mit Schallwellen, hochfrequent. Auch hier wird ein Bild sichtbar. Es kann auch Bewegung (von Blut) dargestellt werden, durch den Dopplereffekt (Wellen, deren Quelle sich zu mir herbewegen, werden hochfrequenter, Wellen, deren Quelle sich von mir wegbewegt verringern ihre Frequenz).
- Nuklearmagnetresonanz: Wasserstoff (Protonen) haben einen Spin, ein magnetisches Moment. In einem großen Magneten richten sich diese Spins parallel aus, werden zusätzlich Radiowellen eingestrahlt, dann drehen sie sich antiparallel. Nach einiger Zeit richtet sich der Spin wieder parallel aus, die zuvor erhaltene Energie wird abgestrahlt. Ein Bild entsteht.
- Positronen-Emissions-Tomographie (PET): Mit radioaktiven Substanzen kann der Stoffwechsel von Gewebe markiert und bildlich dargestellt werden.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Bildgebendes_Verfahren_(Medizin)
Link: https://www.phyx.at/kernspintomograph/
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Es steckt viel Physik im Sport. Und in der Medizin. Und natürlich auch in der Sportmedizin.
Beim Tauchen geht es um den Druck, der in größeren Tiefen zunimmt. Es geht um das Atmen mit einer Druckflasche, in der Atemgas ist. Mit größerer Tiefe ändert sich die Situation in der Lunge. Man darf nur mehr langsam oder über Stufen auftauchen. Stichworte: Dekomprimieren. Taucherkrankheit.
Beim Bergsteigen ist ebenso das Atmen interessant: in größeren Höhen nimmt der Druck der Atmosphäre ab, Sauerstoff wird weniger. Auch hier werden Atemgase (Sauerstoff) in Druckflaschen mitgenommen. Zusätzlich ist der Energieumsatz interessant. Um eine Masse nach oben zu bekommen, muss man Energie haben – die natürlich aus der Nahrung kommt. Die steckt am Gipfel im Körper (in der Masse) in Form von potenzieller Energie. Epot=m•g•h (m…Masse, g..:Erdbeschleunigung 9,81 m/s2, h…Höhe)
Links:
- Tauchen: https://de.wikipedia.org/wiki/Tauchen
- Bergsteigen: https://de.wikipedia.org/wiki/Bergsteigen
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Nervenzellen bilden ein Netzwerk, in dem Informationen übertragen werden können. Diese Informationen werden elektrisch übertragen. Nervenzellen werden von einer Membran umgeben, einer Hülle. Sie hat auch ein Inneres. Es baut sich Spannung auf, ein „Potenzial“, das sich über die Nervenleitungen ausbreitet. Folgende Punkte sind interessant: Mit welcher Geschwindigkeit kann das passieren? Wie entsteht die elektrische Spannung – das Potenzial – weil doch normalerweise sich negative und positive Ladungen ausgleichen. Und wie wird verhindert, dass dauernd Strom fließt, sondern Nervenzellen „feuern“. Weiterführende Fragen wären dann, wie ein „Gedanke“ entsteht, wie sich Nervenzellen synchronisieren. Das wird hier aber im Themengebiet „Nervenleitung“ nicht behandelt, das wäre Teil der Neurowissenschaften. Wir sind hier im Bereich der Physik. Vorweg: zwischen 1 und 100 m pro Sekunde ist die Nervenleitung schnell, je nachdem um welche Nervenleitungen es sich handelt.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Nervenleitgeschwindigkeit
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Strahlung ist die Ausbreitung von Energie. Das hat einige ganz interessante Konsequenzen.
- Energie kann von der einen Seite auf die andere transportiert werden.
- Wenn Strahlung durch Materie dringt, wird sie zumindest teilweise von ihr aufgenommen. Energie wird aufgenommen.
- Es gibt Teilchenstrahlung und elektromagnetische Strahlung. Das eine besteht aus Elementarteilchen wie Elektronen, Neutronen, etc. Das andere ist wie Licht oder Radiowellen – es kommt auf die Frequenz an, was es genau ist.
Für Menschen ist interessant, wie viel Strahlung wir im Körper aufnehmen. Wenn wir uns in die Sonne setzen, wird uns warm. Das ist gut und fein. Ein Anteil von Sonnenlicht ist aber UV-Strahlung, unsichtbare Strahlung, die höherfrequent ist, als normales Licht. Diese UV-Strahlung kann Materie ionisieren – Elektronen aus der Atomhülle rauskicken. Wenn das Atome unseres Erbutes (DNA) sind, haben wir unter Umständen ein Problem: Hautkrebs.
Strahlung wird verwendet, um den Körper zu durchleuchten. Wir sprechen hier von der Möglichkeit medizinischer bildgebender Verfahren. Röntgenstrahlung wird teilweise absorbiert (aufgenommen), man kann so Knochen sichtbar machen. Aber: absorbieren kann schädlich sein, es besteht ein Risiko, dem Körper durch Röntgenstrahlung Schaden zuzufügen. Deswegen wird man beim Zahnarztröntgen eine Bleischürze verwenden, und generell wird Röntgenstrahlung so wenig wie möglich eingesetzt.
Man kann Strahlung auch verwenden, um Zellen – Krebszellen – zum Absterben zu bringen. Die Kunst ist, das umgebende Gewebe so wenig zu belasten wie möglich.
Strahlung kommt auch in der „natürlichen Hintergrundstrahlung“ im Bereich der Radioaktivität vor. In den Gesteinen, im Wasser befinden sich immer auch Atome, die zerfallen und dabei strahlen. Strahlung kommt auch aus dem Weltraum zu uns, die Atmosphäre nimmt viel davon auf und schützt uns. In Flugzeugflügen, besonders im Bereich der Pole, ist die Strahlung erhöht.
Dosimeter sind kleine Kärtchen, die Menschen eingesteckt haben, die beruflich mit Strahlen arbeiten. Dies Dosimeter zeigen an, wie viel ihr Körper mit Strahlen belastet wurde. Es gibt Grenzwerte.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Strahlung
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Energie ist der Grund, warum unsere Zellen zusammen ein Lebewesen ergeben – und nicht alles wie Staub zerfällt. Wir brauchen viel Energie, um am Leben zu sein.
- Wir essen. Nehmen Energie durch Nahrung auf, die wir mit Sauerstoff „veratmen“. Es entseht ATP – ein energiereiches Molekül. Wir haben damit chemische Energie gespeichert. Das Ganze passiert in den Mitrochondrien, den Zellkraftwerken.
- Wir setzen uns in die Sonne. Und nehmen Energie durch elektromagnetische Strahlung auf. Uns wird warm.
- Wir klettern auf einen Baum. Da haben wir oben mehr Energie: potenzielle Energie. Die wieder verschwindet, wenn wir hinunterspringen. Die Energie des Sprungs müssen wir mit den Beinen abfangen.
Energie-„Haushalt“ bedeutet, dass wir uns immer anschauen, wie viel Energie wir aufnehmen, und wie viel wir abgeben. Es entsteht eine Bilanz, die am Ende des Tages ausgeglichen sein muss, sonst stimmt etwas nicht. Es gibt auch einen Energiehaushalt der Erde selbst. Wie viel strahlt sie in den Weltraum ab, wie viel nimmt sie auf.
Wir sprechen dabei auch von Energiebilanz.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Energiebilanz
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Das Herz funktioniert mit Elektrizität. Muskelzellen ziehen sich koordiniert zusammen. Man kann die Herzaktivität messen, indem die Spannungen gemessen werden, die auftreten. Es wird ein „EKG“ geschrieben, ein Elektro-Kardio-Gramm.
Das Gehirn funktioniert mit Elektrizität. Nerven leiten elektrische Impulse durch Spannung. Man kann die Gehirnaktivität messen, indem die Spannungen gemessen werden, die auftreten. Es wird ein „EEG“ geschrieben, ein Elektro-Enzephalo-Gramm.
Links: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrokardiogramm und https://de.wikipedia.org/wiki/Elektroenzephalografie
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Das Blut fließt durch den Körper. Damit das passiert, braucht es eine Pumpe. Das Herz. Es zieht sich zusammen und entspannt sich wieder. Durch die Herzklappen wird das Blut „vorwärts“ gepumpt. Das passiert ungefähr 60 mal in der Minute, wenn man halbwegs ruhig sitzt. Wir sprechen von „Puls 60“.
Nun gibt es durch den Herzschlag einen Druck in den Blutgefäßen in den Adern. In dem Moment, in dem das Herz pumpt herrscht ein höherer Druck – er wird systolischer Druck genannt. In dem Moment, in dem sich das Herz entspannt, herrscht ein niedrigerer Druck, er wird diastolischer Druck genannt.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Blutdruck
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Basics, Physik in Biologie und Medizin |
Drei Arten von Farben gibt es in der Natur:
- Jene Farben, die durch Pigmente entstehen, durch färbige Stoffe.
- Jene Farben, die durch Strukturen entstehen, durch Interferenz – Bestimmte Farben löschen einander aus oder verstärken sich.
- Jene Farben, die durch farbiges Licht entstehen – bei Glühwürmchen
Links: https://de.wikipedia.org/wiki/Entstehung_von_Farben | https://de.wikipedia.org/wiki/Pigmente | https://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtkäfer
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Basics, Physik in Biologie und Medizin |
Sinnesorgane sind Messgeräte in Lebewesen. Sie messen:
- Den Schall (Ohr)
- Elektromagnetische Wellen (Haut/Tastsinn, Auge)
- Chemie (Nase, Zunge)
Menschen haben keine Sinnesorgane für Magnetismus – manche Tiere haben eines. Wir haben kein Sinnesorgan für Radioaktivität oder Radiowellen. Das Ganze kann man auch größer sehen: Es gibt Antennen und Fernrohre, die uns vom Universum erzählen: Sie nehmen Licht auf, und Radiowellen, Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen. Infrarotstrahlen auch. Auch Teilchenstrahlen. Alles, was von wo anderes herkommt.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Sinnesorgan
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Basics, Physik in Alltag und Technik |
Physik in Filmen ist immer dann besonders spannend, wenn es in den Weltraum hinausgeht. Science-Fiction-Filme vermischen dabei wissenschaftliche Erkenntnisse mit ausgedachten Elementen. Naturgesetze werden eingebaut, so wie sie sind, oder frei erfunden, wie sie sein könnten. In einigen Filmen wird mit den Dimensionen gespielt, mit der Veränderung der Raumzeit, mit der Schwerkraft, die Schauplätze werden in Gegenden des Universums verlegt, wo noch nie jemand war.
- Interstellar: https://de.wikipedia.org/wiki/Interstellar
- Der Marianer: https://de.wikipedia.org/wiki/Interstellar
- Gravity: https://de.wikipedia.org/wiki/Gravity_(Film)
Link: Science Fiction: https://de.wikipedia.org/wiki/Science-Fiction
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Basics, Physik des 21. Jahrhunderts |
Die Realität ist alles was wirklich ist. Wenn man ein Buch darüber schreibt, dann nennt man das Sachbuch. Dann gibt es die erfundenen Geschichten – das wird auf Englisch „Fiction“ genannt. Romane, Erzählungen etwa. Keine Sachbücher über Hunde und Städte. Oder Wissenschaft (englisch sagt man „Science“). Wenn man nun so ein Buch erfindet, in der auch die Wissenschaft verändert und neu erfunden wird, die Naturgesetze anders sind, die Welten, die Menschen, wie sie zusammenleben, wo vielleicht auch Außerirdische auf fremden Planeten mitspielen, die wir uns vorstellen, dass es sie gibt – dann sprechen wir von Science-Fiction. Klar, es gibt dann auch die Science-Fiction-Filme.
Oft werden Science-Fiction-Romane auch als „Zukunftsromane“ bezeichnet. Obwohl sie gar nicht in der Zukunft spielen müssen.
Science-Fiction Autor:innen sind superschlaue Leute.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Science-Fiction
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Basics, Physik des 21. Jahrhunderts |
Expeditionen helfen, Wissen über andere Welten zu gewinnen. Der Mars ist unser Nachbarplanet, weiter draußen im Sonnensystem. Mit einer unbemannten Mission wurde zum Mars bereits ein Fahrzeug gebracht, das herumfahren und Proben sammeln kann. Es gibt bei solchen Missionen immer auch Teams, die untersuchen, ob man dabei nicht Schaden anrichtet, weil etwa Krankheitskeime von der Erde auf einen anderen Planeten gebracht werden.
Man möchte nun durchaus eine bemannte Mission zum Mars schicken. Problem ist die lange Reisedauer, die Versorgung des Teams, psychologische Aspekte, und natürlich viele technische Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt. Entwicklungen für eine Mission sind aber auch immer Technologietreiber, das was man dabei lernt, kann für viele Prozesse auf der Erde verwendet werden. Etwa geschlossene Systeme für die Produktion von Lebensmitteln.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Bemannter_Marsflug und Podcast „Raumzeit/Bodenerkundung auf dem Mars“: https://raumzeit-podcast.de/2019/12/20/rz082-bodenerkundung-auf-dem-mars/ sowie über den Mars selbst: https://raumzeit-podcast.de/2012/11/09/rz049-der-mars/
Photo: NASA/JPL-Caltech
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Kosmologie ist die „Lehre von der Welt“. Sie versucht zu beschreiben, wie das Universum entstanden ist. Wie Sterne entstehen und vergehen. Wie Galaxien entstehen. Was Schwarze Löcher sind. Ihre Informationen nimmt sie aus dem Bereich der Astrophysik, die elektromagnetische Wellen aus dem Universum sammeln (Licht, Infrarotstrahlen, UV-Strahlen, Mikrowellen, Radiowellen, Gammastrahlen). Dazu kommt ein hoher „theoretischer Apparat“, also einerseits Rechnungen, die auf Papier durchgeführt werden, und andererseits Computersimulationen.
Das Bild über das Universum ändert sich, je nachdem auf welchem Gebiete Fortschritte gemacht werden. So hat zum Beispiel der Nachweis von Gravitationswellen einen Boost gebracht, was das Verständnis der Gravitation im Zusammenhang mit der Raum-Zeit betrifft.
Link: Kosmologie https://de.wikipedia.org/wiki/Kosmologie
Photo by Jeremy Thomas on Unsplash
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Neutrinos sind Elementarteilchen, die zum Beispiel in der Sonne entstehen. Sie erreichen genauso wie die Lichtstrahlen die Erde – nur reisen sie weitgehend ungehindert durch sie durch. Neutrinos sind nämlich schwer zu „fangen“, sie sind nicht „klebrig“, weil sie nur „schwach wechselwirken“, also nicht elektrisch oder magnetisch angezogen werden können. Neutrinos entstehen aber auch in anderen Prozessen, auch auf der Erde. Beim Beta-Zerfall von radioaktiven Atomen etwa.
Es gibt viele Arten von Neutrinos, und es gibt ihre Antiteilchen, die Antineutrinos.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Neutrino
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