Basiseinheiten des SI-Systems Physikalische Größe Symbol SI-Einheit Definition

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1 Basiseinheiten des SI-Systems Physikalische Größe Symbol SI-Einheit Definition Länge m Meter Strecke, die Licht im Vakuum in s zurücklegt Masse kg Kilogramm Standard-Kilogramm (Urkilogramm) aus Platin (Pt) und Iridium (Ir); wird in Paris aufbewahrt Zeit s Sekunde Perioden eines bestimmten Strahlungsübergangs von 133 Cs (Cäsium- oder Atomuhr) Elektrische Stromstärke A Ampere Definiert über die Kraftwirkung zwischen zwei parallelen, von einem Ampere durchflossenen Leitern Thermodynamische Temperatur K Kelvin 1 273,16 der Temperatur des Tripelpunkts von Wasser Substanzmenge mol Mol Anzahl von Atomen in 12 g Kohlenstoff 12 C (Avogadro-Konstante: 6, mol 1 ) Lichtstärke cd Candela Definiert über die von einer speziellen Lichtquelle in einem bestimmten Raumwinkel abgestrahlte Leistung Abgeleitete Einheiten im SI-System Physikalische Größe Symbol Einheit Name der Einheit in SI-Einheiten Frequenz f, ν Hz Hertz Hz = 1/s Kraft F N Newton N = m kg/s2 Druck, mech. Spannung p, σ Pa Pascal Pa = N/m 2 = kg/m s 2 Energie, Arbeit, Wärmemenge E, A, Q J Joule J = N m = m 2 kg/s 2 Leistung P W Watt W = J/s = m 2 kg/s 3 Elektrische Ladung q C Coulomb C = A s Elektrische Spannung U V Volt V = W/A = m 2 kg/s 3 A Kapazität C F Farad F = C/V = s 4 A 2 /m 2 kg Elektrischer Widerstand R Ω Ohm Ω = V/A = m 2 kg/s 3 A2 Elektrischer Leitwert G S Siemens S = A/V = s 3 A 2 /m 2 kg Magnetischer Fluss Φ Wb Weber Wb = V s = m 2 kg/s 2 A Magnetische Induktion B T Tesla T = Wb/m 2 = kg/s 2 A Induktivität L H Henry H = Wb/A = m 2 kg/s 2 A 2 Lichtstrom Φ lm Lumen lm = cd sr Beleuchtungsstärke E lx Lux lx = lm/m2 = cd sr/m 2 Radioaktivität A Bq Becquerel Bq = 1/s Absorbierte (Strahlen-)Dosis D Gy Gray Gy = J/kg = m 2 /s 2 Dynamische Viskosität η Pa s Pascalsekunde Pa s = kg/m s Drehmoment M N m Newtonmeter N m = m 2 kg/s 2 Oberflächenspannung σ N/m Newton pro Meter N/m = kg/s 2 Wärmeflussdichte j W/m2 Watt pro m2 W/m 2 = kg/s 3 Wärmekapazität, Entropie C, S J/K Joule pro Kelvin J/K = m 2 kg/s 2 K Spezifische Wärmekapazität c m J/kg K Joule pro Kilogramm und Kelvin J/kg K = m 2 /s 2 K Spezifische Energie J/kg Joule pro Kilogramm J/kg = m 2 /s 2 Thermische Leitfähigkeit λ W/m K Watt pro Meter Kelvin W/m K = m kg/s 3 K Energiedichte J/m3 Joule pro m3 J/m 3 = kg/m s 2 Elektrische Feldstärke E V/m Volt pro Meter V/m = m kg/s 3 A Elektrische Ladungsdichte C/m3 Coulomb pro m3 C/m 3 = A s/m 3 Elektrische Flussdichte C/m2 Coulomb pro m2 C/m 2 = A s/m 2 Influenz F/m Farad pro Meter F/m = s 4 A 2 /m 3 kg Permeabilität μ H/m Henry pro Meter H/m = m kg/s 2 A2 Molare Energie J/mol Joule pro Mol J/mol = m 2 kg/s 2 mol Molare Entropie, molare Wärmekapazität J/mol K Joule pro Mol Kelvin J/mol K = m 2 kg/s 2 K mol Exposition C/kg Coulomb pro Kilogramm C/kg = s A/kg Absorbierte Dosisrate Ḋ Gy/s Gray pro Sekunde Gy/s = m 2 /s 3

2 Springer-Lehrbuch

3 Jürgen Schatz (Hrsg.) Robert Tammer (Hrsg.) Erste Hilfe Physik und Chemie für Mediziner Mit 422 farbigen Abbildungen und 79 Tabellen 2., korrigierte Auflage 123

4 Prof. Dr. rer. nat. Jürgen Schatz Department Chemie und Pharmazie Lehrstuhl Organische Chemie 1 Universität Erlangen-Nürnberg Henkestraße Erlangen Dr. rer. nat. Robert Tammer Inst. f. Quanteninformationsverarbeitung Universität Ulm/Büro: N25 / 4407 Albert-Einstein-Allee Ulm robert.tammer@uni-ulm.de ISBN Springer Medizin Verlag Heidelberg Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer Medizin Verlag springer.de Springer Medizin Verlag Heidelberg 2007, 2012 Produkthaftung: Für Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikationsformen kann vom Verlag keine Gewähr übernommen werden. Derartige Angaben müssen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anhand anderer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. Planung: Christine Ströhla, Heidelberg Fachlektorat: Markus Pohlmann, Heidelberg Zeichnungen: Alexander Dospil, Greifenberg Reagenzgläser: Heike Görner, Ulm Projektmanagement: Rose-Marie Doyon, Heidelberg Umschlaggestaltung & Design: deblik, Berlin Umschlagabbildung: lightpoet/fotolia.com; sharpshot/fotolia.com Satz und Digitalisierung der Abbildungen: Fotosatz-Service Köhler GmbH, Reinhold Schöberl, Würzburg SPIN Gedruckt auf säurefreiem Papier 15/

5 V Vorwort zur 2. Auflage Seit dem Erscheinen der 1. Auflage von»erste Hilfe Physik und Chemie für Mediziner«sind nunmehr 4 Jahre vergangen. Diese eigentlich kurze Zeitspanne war aber durchaus bewegt im deutschen Bildungssystem. Der Wechsel vom neun- auf das acht-jährige Gymnasium erreicht jetzt auch die Universitäten: Fächer, die an einer Universität in den ersten Fachsemestern unterrichtet werden, müssen sich auf neue Grundvoraussetzungen einstellen. Das trifft auch für die naturwissenschaftliche Ausbildung in den medizinischen Studiengängen zu. Das in der ersten Auflage verfolgte Konzept»Studierende schreiben für Studierende«soll hier eine Brücke zwischen Schule und Universität bauen, um Einsteigern die oft so schlimm empfundene Chemie und Physik nahezubringen. Erleichtern soll das auch der»mathe-basics«-teil. In der zweiten Auflage erfolgten in erster Linie redaktionelle Änderungen und Fehlerkorrektur. Zudem wurden einige Ausführungen straffer und präziser gefasst, um den Stoff noch»begreifbarer«zu machen. Möglich war das und hierbei möchten wir als Herausgeber besonderen Dank aussprechen durch die betreuenden Hände von Frau Ströhla und Frau Doyon im Springer-Verlag. Vielen Dank für den festen Glauben an das verfolgte neue Lehrbuchkonzept. Großer Dank ist auch dem Lektorat durch Herrn Pohlmann zu zollen. Sein»Adlerauge«hat manche versteckte Ungenauigkeit gesichtet. Jetzt bleibt nur noch allen Leserinnen und Leser, allen neuen Studierenden in einem medizinischen Fach, viel Erfolg und Spaß mit den Naturwissenschaften Chemie und Physik zu wünschen! Erlangen/Ulm, September 2011 Jürgen Schatz/Robert Tammer

6 Vorwort zur 1. Auflage Herzlichen Glückwunsch, Sie haben einen Studienplatz in der Medizin oder einer vergleichbaren Lebenswissenschaft bekommen. Ein erster Blick in die Studienordnung, die Stundenpläne etc. führt aber schon zur Ernüchterung, denn da finden sich auch so ungeliebte Fächer wie Physik oder Chemie. Da fällt Ihnen dann wieder ein, dass der letzte Chemieunterricht sehr lange her ist oder dass Sie das Fach Physik eh immer gehasst haben (ist auch in beliebigen anderen Kombinationen denkbar). So oder so ähnlich stellte sich für uns die Situation bei Gesprächen mit den Studienbeginnern in den ersten Semesterwochen dar. Als nächste Frage kam immer:»ich will doch Medizin (oder ) studieren wozu braucht man dafür Physik/Chemie?«Die Antwort ist dann immer relativ leicht: Jeder Mediziner braucht ein gewisses Maß an naturwissenschaftlichem Grundverständnis: denken wir nur an die Funktion unserer Sinne, die Chemie unseres Stoffwechsels inklusive Medikamente, die medizintechnische Ausstattung der Kliniken, aber auch die neuesten medizinischen Forschungsgebiete der Humangenetik. Der (Wieder)Einstieg in die Naturwissenschaften ist aber nichtsdestotrotz in den ersten Semestern für die meisten hart und auch mit einer hohen Hemmschwelle verbunden. Die neue Approbationsordnung (2002) führte zu einer inhaltlichen Abstimmung aller Fächer der Vorklinik, um diesen Studienabschnitt zu straffen und effizient zu gestalten. Bei den gemeinsamen Gesprächen an der Universität Ulm, an der beide Herausgeber lehren/lehrten, zeigten sich immer die gleichen Hauptprobleme: die einzelnen Studierenden bringen aus ihrer Schulzeit extrem unterschiedliche naturwissenschaftliche Kenntnisse mit, die erst auf ein einheitliches Niveau gebracht werden müssen. Nach unserer Erfahrung gibt es ein weiteres Problem: die meist geringen mathematischen Kenntnisse erschweren einen Zugang zu Naturwissenschaften oder machen ihn in einigen Fällen fast unmöglich (Zitat:»Was ist denn ein Logarithmus?«da wird es schwer mit dem ph-wert). Hier setzt ERSTE HILFE ein, in dem wir einen»mathe-basics-teil«den Naturwissenschaften Chemie und Physik vorangestellt haben. Dieser entstand aus einem von der Physik und Chemie an der Universität Ulm gemeinsam durchgeführten und bewährten Mathematik-Vorkurs. Wohlbemerkt: ERSTE HILFE soll nicht dazu dienen, etablierte Lehrbücher der Chemie und Physik zu ersetzen, sondern den Zugang zu diesen oft als schwierig erachteten Fächern leichter zu machen. Deshalb ist auch hier ein anderes Konzept für ein Lehrbuch beschritten worden: VON STUDIERENDEN FÜR STUDIERENDE. Die Autoren der einzelnen Kapitel haben größtenteils bei uns in Ulm die entsprechenden Kurse der Physik und Chemie erfolgreich absolviert und den 1. Abschnitt der ärztlichen Prüfung (Physikum) hinter sich. Aus deren eigenen Erfahrungen auch bei der Vorbereitung zu den Physikumsprüfungen entstanden die Schwerpunkte der einzelnen Kapitel. Hier zeigte sich auch, dass Dinge, die wir im Unterricht nur sehr kurz behandeln (»Ist ja trivial«) hier etwas ausführlicher darlegt sind aber auch der umgekehrte Fall ist zu finden. Anscheinend gibt es hier doch unterschiedliche Betrachtungsweisen. Trotzdem ist der Gegenstandskatalog der Physik wie auch der Chemie abgedeckt, in einer Form, die sich zumindest für die Autoren als erfolgreich für alle notwendigen Prüfungen erwies. Absicht ist auch gewesen, die»sprache der Studierenden«möglichst zu erhalten; dies erforderte von Herausgeberseite natürlich Zurückhaltung, sollte aber ein etwas kurzweiliges Leseerlebnis garantieren. Wir hatten als Herausgeber nur die Aufgabe (und auch das Vergnügen), die Vielzahl von Autoren»unter einen Hut«zu bringen, was uns alle Beteiligten aber sehr leicht gemacht haben. Es war für uns erfrischend zu sehen, mit welchem Elan geschrieben, gezeichnet und diskutiert wurde, um dieses Buch möglich zu machen und das alles neben dem normalen Semesterbetrieb oder sogar Physikumsprüfungsstress. Allen dafür vielen herzlichen Dank!! Besonderer Dank auch an das Verlagsteam, namentlich Frau Doyon und Frau Nühse, die nicht nur die Autorinnen und Autoren zusammenhalten, sondern dazu auch noch zwei Herausgeber lenken mussten. Ebenso sei Frau Meinrenken vom Fachlektorat gedankt, für ihre Anmerkungen, Verbesserungen und Nachfragen. Zum Schluss wünschen wir den Leserinnen und Lesern eine schöne und erfolgreiche Zeit mit ERSTE HILFE Chemie und Physik. Naturwissenschaften können auch in Medizin und Lebenswissenschaften Spaß machen! München/Ulm, August 2007 Jürgen Schatz/Robert Tammer

7 VII Die Herausgeber Jürgen Schatz, 1966 Hobbys: Lieblingsfach: Berufsziel: Warum ich Herausgeber bin: Familie, Lesen, Trompete Organische Chemie Na ja, bin ganz zufrieden Wenn es einigen hilft, durchs Studium zu kommen, hat es sich rentiert! Robert Tammer, 1958 Hobbys: Lieblingsfach: Berufsziel: Warum ich Herausgeber bin: Familie 3 Kinder und deren Hobbys, selber spiele ich Tennis Experimentelle Physik, Speziell alles was mit Optik zu tun hat Meistens genau das was ich mir vorgestellt habe Physik von Medizinern für Mediziner könnte manchem Medizinstudenten den Zugang zur Physik in der Medizin erleichtern!

8 IX Die Autoren Albrecht, Susanne Baur, Karin Charlotte Beyrle, Birgit Bohn, Stefanie Buckert, Dominik Drensek, Annekathrin Fels, Theresa Görner, Heike Gruber, Verena Hartmann, Ann-Kathrin Heuberger, Maria Krebs, Ricarda McDougall, Anne Rankl, Stefanie Nina Sachs, Simon Schiefele, Lisa Schirrmann, Malte Schneidawind, Dominik Trenkle, Katharina Wagner, Philipp

9 Erste Hilfe Chemie und Physik für Mediziner Autorenname Lernziele Was bringt mir das Kapitel? Die wichtigen Begriffe Leitsystem Schnelle Orientierung über die Kapitel und Anhang Wie jetzt? Mit einer Frage zu Beginn wird ins Thema eingestiegen Inhaltliche Struktur Klare Gliederung durch alle Kapitel Schlüsselbegriffe sind fett hervorgehoben Grundlagen Grundlegendes verpasst? Kapitel helfen weiter Abbildungen Bilder sagen mehr als 1000 Worte Tabelle Klare Übersicht der wichtigsten Fakten

10 Navigation Wo bin ich? Seitenzahl und Kapitelnummer für die schnelle Orientierung Hätten Sie s gewusst? Interessantes für zwischendurch Roter Text Gleich abspeichern Marginalie Wichtiges wird in der Randspalte wiederholt kurz & knapp Die Kernpunkte aus dem Kapitel zur Wiederholung Übungsaufgaben und Lösungen Kapitel verstanden? Die Aufgaben zeigen es! Alles klar? Die Antwort auf die Frage zu Beginn: Chemie + Physik ist doch nicht so trocken, oder?

11 XIII Inhaltsverzeichnis I Grundlagen 1 Mathematische Grundlagen Gleichungen Anne McDougall 1.2 Vektoren und Skalare Philipp Wagner 1.3 Trigonometrie Ann-Kathrin Hartmann 1.4 Potenzen und Potenzfunktionen Annekathrin Drensek 1.5 Einfache Differenziale und Integrale Anne McDougall 1.6 Messen und Messunsicherheiten Statistik Ann-Kathrin Hartmann 1.7 Graphische Darstellung von Zusammenhängen Philipp Wagner 2 Naturwissenschaftliche Grundlagen SI-Einheiten Annekathrin Drensek 2.2 Atombau, Bohrsches Atommodell Annekathrin Drensek 2.3 Stoffe & Co Ann-Kathrin Hartmann 2.4 Masse, Stoffmenge, Dichte und Konzentration Philipp Wagner 2.5 Stöchiometrisches Rechnen Anne McDougall II Physik 3 Mechanik Physik der starren Körper Lisa Schiefele 3.2 Verformbare Körper (Blutkreislauf) Stefanie Bohn 3.3 Mechanische Schwingungen und Wellen Simon Sachs 4.2 Wärme Maria Heuberger 4.3 Der Gaszustand Maria Heuberger 4.4 Transportphänomene Theresa Fels 4.5 Stoffgemische Theresa Fels 5 Elektrizitätslehre Elektrische Ladung und elektrisches Feld Stefanie Rankl 5.2 Spannung und elektrisches Potenzial Stefanie Rankl 5.3 Einfache Stromkreise Stefanie Rankl 5.4 Magnetismus, Induktion und elektromagnetische Welle Philipp Wagner 5.5 Wechselspannung, Wechselstrom, Biologische Wirkung Philipp Wagner 5.6 Elektrizitätsleitung Leitungsmechanismen Philipp Wagner 6 Optik Licht Susanne Albrecht 6.2 Geometrische Optik Susanne Albrecht 6.3 Wellenoptik Susanne Albrecht 6.4 Optische Instrumente Ionisierende Strahlung Radioaktivität Dominik Schneidawind 7.2 Röntgenstrahlung Dominik Schneidawind 7.3 Wirkung ionisierender Strahlung Dominik Schneidawind 4 Wärmelehre Die Temperatur Maria Heuberger

12 XIV Inhaltsverzeichnis III Chemie 8 Allgemeine Chemie Einführung Jürgen Schatz 8.2 Chemische Bindungen Lisa Schiefele 8.3 Das chemische Gleichgewicht Katharina Trenkle 8.4 Oxidation Reduktion Birgit Beyrle 8.5 Chemische Reaktionsenergetik und -kinetik Karin Baur 9 Anorganische Chemie Verena Gruber 9.1 Das Periodensystem (PSE) Exemplarische Abhandlung der Chemie wichtiger Elemente Organische Chemie Kohlenwasserstoffe Stefanie Bohn 10.2 Verbindungen mit Heteroatomen Dominik Buckert 10.3 Grundlegende Reaktionstypen und -mechanismen der organischen Chemie Stefanie Rankl 10.4 Einführung in die Naturstoffe: Kohlenhydrate, Fette und Aminosäuren Ricarda Krebs 11 Komplexchemie Malte Schirrmann 11.1 Einleitung Genereller Aufbau Struktur und Geometrie Chelatkomplexe Stabilität Isomerie Bindungstheorien Nomenklatur in der Chemie Heike Görner 12.1 Einleitung Anorganische Stoffe Funktionelle Gruppen und Ausnahmen Organische Stoffe Komplexnomenklatur Anhang A1 Formelsammlung und wichtige Tabellen A2 Quellenverzeichnis A3 Sachverzeichnis