Medizinische Biophysik I.

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1 P H Y S I K Physik in de Medizin Medizinische Biophysik I. D. Feenc Tölgyesi Institut fü Biophysik und Stahlenbiologie 0 Diagnostik Röntgendiagnostik Sonogaphie Optische Tomogaphie MRI KG ndosko Theapie Gamma-Messe Phototheapie Lasechiugie Defibillato Nieensteinzetümm Medizinische Foschung Röntgendiffaktion Optische Spektoskopie Mikoskopie Massenspektometie Lebenspozesse Diffusion Stömungen Hebelfunktion Wämestahlung elektische Stöme... 1 Physik in dem medizinischen Cuiculum Thematik de Volesungen Physiologie Chemie Biostatistik Biochemie Molekulabiologie Radiologie Chiugie Othopädie Kiefeothopädie usw. 4 1

2 Paktika Abweichung fü Zahnmedizine in den esten dei Wochen: Potokolle! Hilfsmittel: Paktikum medizinische Biophysik, 015, Semmelweis Velag, Budapest Biophysik fü Medizine, 008, Medicina Velag, Budapest Physikalische Gundkenntnisse, heunteladba von de Webseite des Instituts Aufgabensammlung zu medizinischen Biophysik, heunteladba von de Webseite des Instituts 5 6 Studienegel Voaussetzungen de Anekennung des Semestes Püfungen Anekennung von Scheinen aus füheen Studien Webseite: Medizinische Biophysik Stuktu de Mateie I. Atome, Moleküle und ihe Wechselwikungen 1. Allgemein übe Wechselwikungen a) Beispiele: b) Bescheibung de Wechselwikungen:. lektische Wechselwikung a) Coulomb-Gesetz: b) elektische potenzielle negie ( pot ). Aufbau des Atoms a) Bauelemente und ihe Wechselwikungen b) negiezustände c) lektonegativität 4. Atomae, molekulae Wechselwikungen a) negiekuve b) Pimäe Bindungen c) Sekundäe Bindungen 5. negiezustände in Molekülen II. Aggegatzustände 1. Allgemeine Bescheibung. inige gundlegenden Gößen zu Bescheibung von Köpen. Gasfömige Aggegatzustand a) Makoskopische Bescheibung b) Mikoskopische Bescheibung c) Kinetische Deutung de Tempeatu d) Maxwell-Boltzmann-Veteilung e) Baometische Höhenfomel (Gas im Gavitationsfeld) f) Boltzmann-Veteilung 7 8

3 I. Atome, Moleküle und ihe Wechselwikungen 1. Allgemein übe Wechselwikungen a) Beispiele: Stake Wechselwikung (Kenkaft) Kontakt (molekulae Wechselwikungen im Hintegund) lektische Wechselwikung Gavitation Magnetische Wechselwikung 9 10 b) Bescheibung de Wechselwikungen: Symmetie! Stäke d. Ww Themische Wechselwikung (Wäme) Bei fenwikenden Ww: Abklingen mit wachsendem Abstand Gößen und Gesetze: Kaft, die newtonschen Gesetze und Beispiele fü Kaftgesetze Abeit und negie negieehaltung Leistung Duck Abstand Kaft negie Chemische, biologische, Wechselwikungen 11 1

4 Gebundene Zustände ntstehung von stabilen Stuktuen - allgemeine Pinzipien WCHSLWIRKUNGN abstoßend anziehend. lektische Wechselwikung q q a) Coulomb-Gesetz: Fel k F q F q 1 1 F + + Abstoß Anziehung + UNORDNUNG ORDNUNG s entstehen keine stabile Stuktuen, fühe entstandene Stuktuen lösen sich auf. BWGUNGN Wechselwikungsenegie Wie können die zwei Seiten miteinande quantitativ veglichen weden? negie Stabile Stuktuen entstehen und weden ehalten. Wechselwikungsenegie b) elektische potenzielle negie ( pot ): q1 q pot k Bewegungsenegie 1 14 pot + + Abstoß Anziehung +. Aufbau des Atoms a) Bauelemente und ihe Wechselwikungen Z lektonen, ihe Gesamtladung ist Ze b) negiezustände Spezielle igenschaft de Mikowelt: diskete negiezustände Feie Zustände Zum Beispiel: H-Atom elekt. Ladung des Kenes: Ze, (Z ist die Odnungszahl (Kenladungszahl)) Schalen kin 1 mv Bewegungen pot anziehende Wechselwikung = elektische Ww. q1 q pot k gesamt Hauptquantenzahl (n) kin gesamt pot kin 0 gebundenes lekton Statt Bahnen ehe lektonenwolken veschiedene Fomen gesamt pot kin 0 feies lekton

5 negie negie Nebenquantenzahl (l) Unteschalen Z.B. 11 Na Z.B. 17 Cl l = 0 s s shap; 1 p p pincipal; d diffuse; f fundamental d Weitee Pinzipien bei de Besetzung de negiezuständen (Schalen, Unteschalen): negieminimum Pauli-Pinzip f 17 1s s p 6 s 1 Ionisationsenegie (I): Zu ntfenung des äußesten lektons benötigte negie (ev/atom; kj/mol) c) lektonegativität (N) = I A 1s s p 6 s p 5 lektonenaffinität (A): Bei de Aufnahme eines lektons feigesetzte negie (ev/atom; kj/mol) 18 lektonegativitität - Pauling-Skala: 4. Atomae, molekulae Wechselwikungen a) negiekuve Abstoß zw. den Kenen, Pauli-Pinzip Bindung Bindungslänge ( 0 ) 0,1 nm Bindungsenegie ( 0 ) 0,-1000 kj/mol Bindungstypen gemeinsame lektonenbahnen elektische Anziehung (Ion-Ion, Ion-Dipol, Dipol-Dipol) lektonegativität

6 b) Pimäe Bindungen Ionenbindung Kovalente Bindung Metallbindung kj/mol 1 c) Sekundäe Bindungen 0,-50 kj/mol van de Waals (Dipol-Dipol) Oientieung ( pemanente Dipole) Pimäe und sekundäe Bindungen 5. negiezustände in Molekülen Moleküle Aggegatzustände (flüssige und feste Köpe) Induktion (1 pemanente und 1 induziete Dipol) Dispesion H-Bückenbindung Molekül lekton Vibation Rotation 1 ev 0,1 ev 0,01 ev alle negiefomen sind quantiet Bindungsstäke Bindungstyp Mateial Bindungsenegie (kj/mol) van de Waals Neon (Ne) 0,6 schwach Agon (A) 7,7 (sekundä) H-Bindung Wasse (H O) stak (pimä) Metallbindung Quecksilbe (Hg) 68 Aluminium (Al) 4 Wolfam (W) 849 Ionenbindung NaCl 640 MgO 1000 kovalente Bindung Silizium (Si) 450 Kohlenstoff (C, Diamant) 71 Z. B. Vibationen lektonenniveaus Vibationsniveaus (Rotationsniveaus sind nicht gezeigt.) 4 6

7 Dichte (g/cm ) II. Aggegatzustände 1. Allgemeine Bescheibung Fest Flüssig Gasfömig T. inige gundlegenden Gößen zu Bescheibung von Köpen: Zahl de Bauelemente (Atome ode Moleküle) im Köpe (N) igenvolumen igenfom Stoffmenge (n ) in Mol: 1 mol enthält 6,0 10 Bauelemente ν = N N A Avogado-Konstante (N A ): N A = 6,0 10 1/mol Masse (m) Molae Masse (M): die Masse von einem Mol m = ν M Volumen (V) 5 6 m kg Dichte (): ρ V m Anziehende Wechselwikungen Abstoßende Wechselwikungen + Bewegungen T Stoff (g/cm ) Wasse 1 Fettgewebe 0,9 Blut 1,05 Knochen 1,8 Köpegewebe 1,04 (Mittelwet) Wasse T(K) = t( C) + 7 Tempeatuabhängigkeit: is (T) : Tempeatu ( C) 7 8 7

8 . Gasfömige Aggegatzustand a) Makoskopische Bescheibung: Kein igenvolumen und keine igenfom Isotop Tempeatu Messbae Gößen: b) Mikoskopische Bescheibung: Ungeodnet Stake und fast feie Bewegungen p, V, n, T pv n RT (fü ideale Gase) Duck Volumen Stoffmenge allgemeine Gaskonstante R = 8,1 J/(molK) ine andee Fom: duchschnittliche kinetische negie von einem Mol kin, mol 1 Mv RT Molae Masse d) Maxwell-Boltzmann-Veteilung Allgemeine Gaskonstante R = 8,4 J/(mol K) RT = molae themische negie c) Kinetische Deutung de Tempeatu: duchschnittliche kinetische negie eines Teilchens kin 1 mv kt Masse eines Teilchens Geschwindigkeit des Teilchens Boltzmann-Konstante k = 1,8 10 J/K Tempeatu kt = themische negie 9 0 e) Baometische Höhenfomel (Gas im Gavitationsfeld) Gavitation (ohne Bewegungen, d. h. T = 0) Bewegung (ohne Gavitation) p p 0 p e mgh kt Duck bei h = 0 p 0 p e mgh kt h (km) Nu im themischen Gleichgewicht!! 1 8

9 f) Boltzmann-Veteilung Die Veteilung de Teilchen auf die negiezustände im themischen Gleichgewicht (T = konstant). n i 0 kt i n0 e n0 n i n 0 e RT e kt NA R k N A Hausaufgaben: Aufgabensammlung : 1.1,, 4, 5, 8, 9, 17, 0, 1,, 6, 7, 1, 4, 6, 8, 40 nomale Besetzung siehe Besetzungsinvesion späte bei dem Lase Anwendungen de Boltzmann-Veteilung: Baometische Höhenfomel Themische lektonenemission von Metallen Konzentationselemente, Nenst-Gleichung Chemische Reaktionen (Geschwindigkeits- und Gleichgewichtskonstante) Konzentation von themischen Punktdefekten (in Kistallen und Makomolekülen) lektische Leitfähigkeit von Halbleiten... (Gilt abe nicht z. B. bei de Besetzung de lektonenschalen in einem Atom!) 4 9