Medizinische Physik: Physik für Mediziner, Pharmazeuten und Biologen

961 Pages·1999·33.758 MB·German

by  O. Prof. Dr. techn. Adolf Friedrich Fercher (auth.)

Adolf Friedrich Fercher
Medizinische Physik
Physik für Mediziner, Pharmazeuten
und Biologen
Zweite, korrigierte Auflage
SpringerWienN ewYork
O. Prof. Dr. techno AdolfFriedrich Fercher
Vorstand des Institutes für Medizinische Physik
der Universität Wien, Österreich
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© 1992 und 1999 Springer-Verlag/Wien
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Graphisches Konzept: Ecke Bonk
Gedruckt auf säurefreiem, chlorfrei gebleichtem Papier -TCF
SPIN: 10704363
Mit 676 Abbildungen
ISBN 978-3-211-83252-3 ISBN 978-3-7091-7616-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-7091-7616-0
Für Sonja
VIII Vorwort
Erfahrungen vorliegen: Fortschritt ist mit erträglichem Risiko nur möglich, wenn
die wissenschaftlichen Grundlagen bekannt sind.
Ferner ist
7. ... die Kritikfähigkeit des Arztes den Apparaten gegenüber, die er nutzt,
proportional zu seinem Wissen über die einschlägigen wissenschaftlichen
Grundlagen. Der Arzt benötigt allerdings nicht das Wissen des Gerätetechnikers.
Seine Kompetenz ist die Wechselwirkung des Geräts mit dem menschlichen
Körper. Gute Physikkenntnisse auf seiten des Mediziners sind auch Voraus
setzung für eine ärztliche Beeinflussung der Entwicklungen in der Medizintechnik;
8. ... Art und Einsatz medizinischer Geräte und Methoden starkem zeitlichen
Wandel unterworfen. Heute mehr denn je. Viele Geräte, die der Medizinstudent
während des Studiums kennenlernt, werden bereits veraltet sein, wenn er als Arzt
tätig wird. Was sich hingegen nicht ändert, sind die wissenschaftlichen Grundlagen;
9 .... die Physik wesentliche Basis unseres heutigen Weltbilds. Daran sollte
auch der Mediziner teilhaben.
Echte Kompetenz bedeutet vor allem auch, daß der Student elementare
Fragestellungen quantitativ lösen kann. Beispielsweise die Abschätzung des Fehlers
bei der Blutdruckmessung, wenn die Manschette ein paar Zentimeter verrutscht.
Oder die Abschätzung der Gesundheitsgefährdung durch ionisierende Strahlung,
die Gefährdung des Gehörs durch Schall, der Augen und der Haut durch Licht
oder der Knochen durch mechanische Belastungen. Medizin ist eine angewandte
Wissenschaft, dies gilt umso mehr für die wissenschaftlichen Grundlagen. Diesem
Umstand tragen viele durchgerechnete Beispiele und Aufgaben mit Lösungen
Rechnung.
Das vorliegende Buch ist ein Lehrbuch für Hochschulanfänger. Es führt
systematisch in die Grundlagen der reinen Physik ein. Die physikalischen Gesetze
werden hergeleitet bzw. ihre Entstehung verdeutlicht. Die Bedeutung dieser Gesetze
wird mit Hilfe der zahlreichen Beispiele erläutert. Die Medizinische Physik wird
teils in speziellen Kapiteln und teils in den zahlreichen Beispielen präsentiert.
Dieses Buch ist aus der Vorlesungstätigkeit des Verfassers für Physik- und
Medizinstudenten an zwei Universitäten (Essen und Wien) und aus Weiterbildungs
veranstaltungen für Medizinphysiker entstanden. Als Voraussetzung genügen
Kenntnisse der Schulphysik. Dem Lehrbuchcharakter entsprechend wurde jedem
Kapitel eine Zusammenfassung nachgestellt, die es erlaubt, die wesentlichen
Inhalte zu rekapitulieren. An die Zusammenfassung schließen sich Beispiele und
Aufgaben an, die eine Überprüfung des Gelernten und eine Erprobung des Könnens
erlauben. Zur Erleichterung der Handhabung beim Lernen wurde der eigentliche
zugrunde liegende Stoff in Normaldruck, Zusammenfassungen, Beispiele und
Aufgaben in Kleindruck ausgeführt. Der gezielten Prüfungsvorbereitung auf das
deutsche Physikum dient ein Schlüssel zum Gegenstandskatalog des Instituts für
medizinische Prüfungsfragen.
Die Medizinische Physik umfaßt die oben aufgelisteten Aspekte der Physik in
der Medizin. Es gibt hier viele Berührungspunkte mit anderen Fächern,
insbesondere mit der Physikalischen Medizin und der Biophysik. Die Unterschiede
zu diesen Disziplinen sind in den Berührungspunkten naturgemäß verschwindend
klein, hingegen liegen die Schwerpunkte dieser Fächer doch deutlich auseinander.
IX
Hinweise zur Benutzung des Buches
Während die Medizinische Physik den Studenten hauptsächlich mit dem physikali
schen Wissen für das Studium und die ärztliche Berufsausübung vertraut macht,
findet die Biophysik ihren Schwerpunkt als Grundlagenwissenschaft innerhalb der
Biologie, die ihrerseits ein Grundlagenfach der Medizin ist. Schließlich liegt der
Schwerpunkt der physikalischen Medizin wiederum eindeutig im Bereich der
Therapie und da vor allem bei chronischen Erkrankungen und bei der Nachbehand
lung.
Der Inhalt dieses Buchs geht über den im deutschen Sprachraum gelehrten
Stoff der Physik für Mediziner deutlich hinaus. Es enthält auch das für Fachärzte
in den entsprechenden Disziplinen erforderliche physikalische Grundwissen. Die
ausführliche Behandlung vieler biophysikalischer Fragen, medizinisch-physikali
scher Probleme aus der Klinik und der Unfallverhütung, sowie die Diskussion der
Gefahrenpotentiale der verschiedenen physikalischen Verfahren in Diagnostik und
Therapie macht das Buch außerdem zu einem für die spätere Tätigkeit nützlichen
Nachschlagewerk für den Mediziner und biomedizinisch orientierten Naturwissen
schaftler und wird auch manchem Medizinphysiker eine nützliche Hilfe sein.
Es bleibt mir noch die angenehme Pflicht, den Firmen Kretztechnik, Philips,
Siemens und Carl Zeiss sowie Herrn Univ.-Prof. Dr. H. Pokieser, Vorstand der
Universitätsklinik für Radiodiagnostik der Universität Wien, für viele zur
Verfügung gestellte Bilder zu danken. Ebenso danke ich Herrn Univ.-Prof. Dr. P.
Spieckermann, Vorstand des Instituts für Medizinische Physiologie der Universität
Wien, für zahlreiche Anregungen und Hinweise sowie meinen Mitarbeitern Dr.
Christoph Hitzenberger, Dr. Ewald Moser, Dr. Leopold Schmetterer und Dr.
Ingwald Strasser für die kritische Durchsicht verschiedener Kapitel. Dem Springer
Verlag Wien, insbesondere Herrn Raimund Pe tri-Wieder und Herrn Frank Ch.
May, danke ich für das bereitwillige Eingehen auf meine Wünsche und Herrn Ing.
Edwin W. Schwarz für die sorgfältige Gestaltung und Ausführung des Drucks.
Schließlich danke ich meiner Familie für das während der Arbeiten zu diesem
Buch aufgebrachte Verständnis.
Für viele Hinweise auf Fehler sei stud. med. Doris M. Bergmair gedankt.
Wien, im Februar 1992 A. F. Fercher
Hinweise zur Benutzung des Buches
Der Inhalt ist in 28 KAPITEL gegliedert, die in die Kapitelgruppen
MECHANIK
WÄRMELEHRE
ELEKTRIZITÄTSLEHRE
ATOM- UND MOLEKÜLPHYSIK
KERN- UND STRAHLENPHYSIK
OPTIK
zusammengefaßt sind. Die Größe der verschiedenen Kapitel entspricht etwa deren
Bedeutung für das physikalische Grundlagenwissen und ihrer Rolle in der
Medizinischen Physik. Die meisten Kapitel sind noch in Abschnitte untergliedert.
x
Hinweise zur Benutzung des Buches
Jeder Abschnitt, manchmal mehrere eng zusammengehörige Abschnitte, enthalten
am Anfang eine historische Einführung und Hinweise zur medizinischen Bedeutung
des nachfolgenden Stoffs. Nach der darauf folgenden Erläuterung der
physikalischen Zusammenhänge folgt jeweils eine
ZUSAMMENFASSUNG,
die die wichtigsten quantitativen Zusammenhänge (mit numerierten Formeln)
enthält und eine kurze Wiederholung des zuvor behandelten Stoffs erlaubt. Daran
schließen sich
BEISPIELE,
an, u. zw. meist aus der medizinischen Physik, und darauf folgen
AUFGABEN,
die eine Überprüfung des Könnens des Lernenden erlauben. Lösungen der
Aufgaben, ein Glossar der benutzten medizinischen Fachausdrücke sowie ein
SCHLÜSSEL ZUM DEUTSCHEN GEGENSTANDS KATALOG
finden sich im Anhang.
Zum Druck wäre noch anzumerken, daß VEKTOREN im Text durch
Halbfettdruck, in den Abbildungen hingegen durch einen Pfeil über dem
Größensymbol gekennzeichnet sind.
INHALTSVERZEICHNIS
TABELLENÜBERSICHT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. XVII
PHYSIKALISCHE KONSTANTEN UND UMRECHNUNGSFAKTOREN . XIX
PERIODISCHES SYSTEM DER ELEMENTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXI
GRÖSSENSYMBOLE, EINHEITENSYMBOLE UND SONDERZEICHEN . XXIII
EINLEITUNG ....................................... .
MECHANIK ......................................... 3
1. Kinematik und etwas Mathematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1 Größenlehre ...................................... 4
1.2 Längen-und Winkelmessung ............................ 12
1.3 Koordinatensysteme.................................. 15
1.4 Zeitmessung ...................................... 18
1.5 Wachstum, Stabilität und Chaos .......................... 23
Zusammenfassung LA ................................ 27
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32
Aufgaben ........................................ 36
1.6 Geradlinige Bewegung ................................ 36
1.7 Infinitesimalrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38
1.8 Vektorrechnung .................................... 43
1.9 Kreisbewegung..................................... 45
1.10 Winkelfunktionen ................................... 46
Zusammenfassung 1.B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . : . . . . . . .. 48
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
Aufgaben ........................................ 53
2. Statik .......................................... 54
2.1 Wechselwirkungen und Bausteine der Materie .................. 54
2.2 Kräftegleichgewicht ............... :.................. 61
Zusammenfassung 2.A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 66
Aufgaben ........................................ 71
2.3 Elastostatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71
Zusammenfassung 2.B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81
Aufgabe ......................................... 89
XII Inhaltsverzeichnis
3. Dynamik ........................................ 89
3.1 Newtonsche Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90
3.2 Arbeit und Energie .................................. 94
3.3 Energiesatz ....................................... 99
Zusammenfassung 3.A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 101
Beispiele ......................................... , 103
Aufgaben ........................................ 108
3.4 Impulssatz und Stoßvorgänge ............................. 108
3.5 Impulssatz bei Drehbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 111
Zusammenfassung 3.B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 112
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 113
Aufgaben ........................................ 117
4. Schwingungen und Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 118
4.1 Mechanische harmonische Schwingung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 118
4.2 Mechanische Wellen, Schall ............................. 124
Zusammenfassung 4.A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 134
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 136
Aufgaben ....................................... . . 139
4.3 Ausbreitung von Schall ............................... , 140
4.4 Streuung und Absorption von Schall ........................ 152
4.5 Dopplereffekt bei Schall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 159
Zusammenfassung 4.B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 161
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 164
Aufgaben ........................................ 173
S. Fluidmechanik ..................................... 174
5.1 Bindungsarten und mechanische Eigenschaften von Stoffen . . . . . . . . . .. 175
5.2 Fluidstatik ....................................... 178
Zusammenfassung 5.A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 192
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 193
Aufgaben ........................................ 196
5.3 Fluiddynamik ..................................... 196
Zusammenfassung 5.B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 212
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 214
Aufgaben ........................................ 224
WÄRMELEHRE ....................................... 225
6. Kinetische Wärmetheorie ................ ~ . . . . . . . . . . . . .. 227
6.1 Temperatur....................................... 227
6.2 Thermische Ausdehnung von Stoffen ........................ 231
Zusammenfassung 6.A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 232
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . .. 233
Aufgabe ......................................... 233
6.3 Kinetische Gastheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 234
Zusammenfassung 6.B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 239
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . '. . . .. 240
Aufgaben ........................................ 242
6.4 Boltzmann-Theorem ................................. 242
6.5 Diffusion ........................................ 243
6.6 Stoffgemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . : .. 245
Zusammenfassung 6.C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 249
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 252
Aufgaben ........................................ 258
Inhaltsverzeichnis XIII
7. Wärme und Energie .................................. 258
7.1 1. Hauptsatz der Wärmelehre ............................ 258
Zusammenfassung 7.A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 267
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 269
Aufgaben ........................................ 271
7.2 Wärmetransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 272
Zusammenfassung 7.B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 279
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 281
Aufgaben ........................................ 285
8. Zustände und Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 286
8.1 Gleichgewichte zwischen Phasen .......................... 286
8.2 Zustandsänderungen ................................. 288
Zusammenfassung 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 293
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 294
Aufgaben ......................................... 296
9. 2. Hauptsatz der Wärmelehre ............................ 297
9.1 Umwandelbarkeit von Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 297
9.2 Reversible und irreversible Vorgänge; Entropieprinzip . . . . . . . . . . . . .. 301
Zusammenfassung 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 307
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 308
Aufgaben ........................................ 310
10. Thermodynamische Potentiale ............................ 310
10.1 Chemisches Potential ................................. 310
10.2 Membranpotentiale .................................. 312
Zusammenfassung 10 ................................. 319
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 320
Aufgaben ........................................ 324
ELEKTRIZITÄTSLEHRE ................................. 327
11. Elektrostatik...................................... 329
11.1 Coulombsches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 330
11.2 Elektrische Feldstärke und elektrisches Potential .. . . . . . . . . . . . . . .. 333
Zusammenfassung I1.A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 342
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 347
Aufgaben ........................................ 357
11.3 Spannungsquellen ................................... 357
11.4 Materie im elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 361
Zusammenfassung I1.B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 368
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 370
Aufgabe ......................................... 371
12. Elektrodynamik .................................... 371
12.1 Elektrischer Strom ........................ ; . . . . . . . . .. 373
Zusammenfassung 12.A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 384
Beispiele . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 388
Aufgaben ........................................ 392
12.2 Leitungsmechanismen für elektrischen Strom ................... 393
Zusammenfassung 12.B ................................ 410
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 412
Aufgaben ........................................ 421
13. Magnetismus...................................... 421
13.1 Elektromagnetismus..........,....................... 422
Zusammenfassung 13.A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 428