Physik für Mediziner

Die Physik ist eine empirische und quantitative Wissenschaft; sie beruht auf Messung und Experiment. Daraus folgt eine intensive Nutzung mathematischer Überlegungen, denn Messungen ergeben Zahlenwerte und die Mathematik ist primär für den Umgang mit Zahlen erfunden worden. Die Natur ist damit einverstanden. Selbst rechnet sie zwar nicht, aber wenn der Mensch ihre Gesetzmäßigkeiten einfach und korrekt beschreiben will, dann tut er dies am besten mithilfe mathematischer Formeln und Kalküle.

Seit eh und je bildet die Mechanik die Grundlage der Physik und gehört deshalb an den Anfang eines Lehrbuches. Sie handelt von den Bewegungen der Körper und von den Kräften, die diese Bewegungen auslösen. Damit spielt sie in alle Gebiete der Naturwissenschaften hinein, über die Bindungskräfte der Moleküle in die Chemie, über die Muskelkräfte in die Medizin, über die von Benzin- und Elektromotoren entwickelten Kräfte in die Technik usw. Werden Kräfte nicht durch Gegenkräfte kompensiert, haben sie Bewegungsänderungen zur Folge, Beschleunigungen genannt. Dabei wird Energie umgesetzt; sie ist eine der wichtigsten physikalischen Größen überhaupt.

Der „starre Körper“ ist eine Fiktion: Selbst der härteste Gegenstand lässt sich verbiegen und mit der nötigen Gewalt auch zerbrechen. Demgegenüber passt eine Flüssigkeit ihre Form dem Gefäß an, in dem sie sich befindet; sie behält aber ihr Volumen bei und bestimmt danach ihre Oberfläche. Ein Gas schließlich füllt (unter Laborbedingungen, nicht in astronomischem Maßstab) sein Gefäß vollständig und gleichmäßig aus. Eben weil Flüssigkeiten und Gase keine eigene Form besitzen, lassen sie sich etwa durch Strömung in Röhren relativ leicht transportieren. Blutkreislauf und Atmung nutzen dies aus.

Der Mensch informiert sich über den momentanen Zustand seiner Umwelt mithilfe seiner fünf Sinne. Die beiden bestentwickelten Sinne benutzen zur Informationsübertragung Wellen: der Gesichtssinn die elektromagnetischen des Lichts, das Gehör die mechanischen des Schalls. Wellen transportieren Energie, aber keine Materie. Ein Empfänger nimmt diese Energie auf und beginnt dann zu schwingen.

Materie besteht aus Atomen und Molekülen und die sind ständig in Bewegung. Die Wärmelehre handelt von dieser thermischen Bewegung und der Energie, die in ihr steckt. Die Temperatur ist ein Maß für die Stärke der Bewegung. Die Wärmelehre ist im Prinzip Mechanik, aber doch anders: Da es um die Mechanik sehr vieler Moleküle auf einmal geht, kommen Statistik und Wahrscheinlichkeiten ins Spiel. Daher laufen hier viele Prozesse immer nur in einer Richtung hin zum wahrscheinlicheren Zustand ab. Wärme strömt freiwillig von warm nach kalt, nicht umgekehrt.

Elektrische Energie ist heutzutage die „handlichste“ aller Energieformen. Sie lässt sich vielseitig nutzen und nahezu überall bereithalten, sofern ein dichtes Netz von Kraftwerken, Überlandleitungen, Umspannstationen, Kabeln und Steckdosen erst einmal installiert worden ist. Allerdings kann der Mensch auch diesen technischen Komfort nur unter Gefahr für Leib und Leben nutzen: Die Verhütung elektrischer Unfälle verlangt permanente Aufmerksamkeit. Die Natur hat organisches Leben untrennbar mit elektrischen Erscheinungen verknüpft. Das ermöglicht Unfälle, aber auch segensreiche Geräte für Diagnostik (EKG) und Therapie (Herzschrittmacher). Zwischen elektrischen und magnetischen Feldern besteht eine so enge Verbindung, dass der Magnetismus ebenfalls in diesem Kapitel behandelt wird.

Optik ist die Lehre vom Licht, vor allem von der Lichtausbreitung. Als Licht bezeichnet man zunächst einmal diejenigen elektromagnetischen Wellen, die das Auge des Menschen wahrnimmt, also in einem sehr schmalen Spektralbereich. In erweitertem Sinn werden auch die benachbarten Gebiete als Licht bezeichnet. Kennzeichen der Wellenausbreitung sind Interferenz und Beugung. Allerdings machen sie sich im Alltag makroskopisch meist gar nicht bemerkbar, weil die Wellenlänge sichtbaren Lichtes zu klein ist. Dann gelten die Regeln der geometrischen Optik. Licht überträgt Energie. Der selektiven Empfindlichkeit des menschlichen Auges wegen müssen für den Strahlungsfluss einer elektromagnetischen Welle und den Lichtstrom diverse Messverfahren und Einheiten definiert werden. Sichtbares Licht wird von Atomen und Molekülen emittiert und absorbiert. Weil sie so klein sind und die kurzen Wellenlängen hohe Frequenzen zur Folge haben, spielt hier eine Eigenschaft der Natur eine bedeutsame Rolle, die sich im Alltag sonst nicht bemerkbar macht: die Quantelung der Energie.

Materie besteht aus Molekülen, ein Molekül aus Atomen, ein Atom aus Kern und Hülle, die Hülle aus Elektronen und der Kern aus Nukleonen, aus Protonen und Neutronen nämlich. An chemischen Reaktionen sind nur die Hüllenelektronen beteiligt. Die (positive) Kernladung bestimmt aber, wie viele Elektronen in die Hülle gehören, und damit auch, zu welchem chemischen Element das Atom gehört. Bei Kernreaktionen wird pro Atom sehr viel mehr Energie umgesetzt als bei chemischen Reaktionen. Kernumwandlungen erfolgen vor allem beim radioaktivem Zerfall und emittieren dann ionisierende Strahlung.

Ionisierende Strahlung überträgt im Elementarprozess der Absorption relativ viel Energie auf ein einzelnes Molekül. Man spricht darum von „energiereicher Strahlung“, die deshalb aber noch keine „intensive Strahlung“ sein muss. Sie kann komplizierte Großmoleküle zerreißen und so in wichtige Funktionen des lebenden Organismus störend eingreifen. Im Laufe der Evolution konnten nur Organismen überleben, die der Exposition durch natürliche ionisierende Strahlung standhielten.

Antworten und Lösungen