Grundlagen der Physik Seite 2

Totalreflexion

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Beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium (z. B. von Wasser nach Luft) ist der Brechungswinkel Beta stets größer als der Einfallswinkel Alpha.

•  In diesem Fall wird bei Alpha= 49° der größtmögliche Brechungswinkel Beta= 90° erreicht. Der zugehörige Einfallswinkel Alpha wird als Grenzwinkel „Alpha grenze“ bezeichnet.

•  Vergrößert man den Einfallswinkel Alpha ist größer als Alphagrenz, so wird das Licht nicht mehr gebrochen, sondern es wird an der Grenzoberfläche vollständig reflektiert. Man spricht von Totalreflexion, es gilt das Reflexionsgesetz. Die Grenzfläche zur Luft wirkt dann wie ein Spiegel.

•  Von der Totalreflexion macht man bei vielen optischen Geräten Gebrauch. Die modernen Lichtfaserkabel, die Telefongespräche und Fernsehprogramme übertragen, geben die Information durch Licht weiter, das von der Wandung des Kabels zurück ins Kabel vollkommen reflektiert wird und so das Kabel nicht verlassen kann.

•  Totalreflexion tritt nur unter folgenden Bedingungen auf:

•  Bei einem Übergang des Lichts von einem optisch dichteren nach einem optisch dünneren Medium,

•  Wenn der Einfallswinkel größer ist als ein Grenzwinkel, der von der Brechzahl abhängt.

Mit Licht erzeugte Bilder

•  Projektoren, Fotoapparate, aber auch Brillen, Fernrohre, Mikroskope … erzeugen optische Bilder.

•  Optische Bilder unterscheiden sich stets in einigen Eigenschaften vom Original: Sie sind vergrößert oder verkleinert, oft seitenvertauscht und immer zweidimensionale Abbilder des räumlichen Originals.

•  Man unterscheidet 2 Arten von optischen Bildern: Bilder, die man auf Bildschirme, Filme oder ein Blatt Papier scharf abbilden kann, nennt man reelle Bilder. Sie entstehen, wenn in optischen Geräten, wie Fotoapparate oder Projektoren, konvergente Lichtbündel erzeugt werden.

•  Optische Bilder, z. B. unser Abbild in einem Spiegel, kann man ohne weitere Hilfsmittel nicht direkt auf einem Schirm auffangen. Man nennt sie virtuelle Bilder. Bei ihnen macht erst die Linse des Auges oder die eines Fotoobjektiv das ursprünglich divergente Lichtbündel konvergent.

•  Für Bilder, die wir mit dem Auge aufnehmen, haben wir eine besondere Erfahrung erworben:

•  Leuchtende Gegenstände, von deren Punkten Lichtbündel in unser Auge gelangen, „sehen wir vor uns“. Dabei verfolgen wir (in Gedanken) die einfallenden divergenten Lichtbündel geradlinig bis zu ihrer Spitze. Dort erwarten wir den wirklichen Ort des Originals und greifen auch dahin. Diese Fähigkeit erlernen wir in den ersten Lebensmonaten, in der Regel hat sie Erfolg. Wird jedoch das Lichtbündel auf dem Weg zu unserem Auge an einem Spiegel reflektiert oder erfährt es eine Brechung, dann wird dieser „Automatismus“ in die Irre geführt und wir greifen ins Leere.

Bilder einer Lochkamera

Steht eine Kerze in einigen cm Abstand vor einer Wand, so erhellt sie diese, man sieht jedoch kein mehr oder weniger   geartetes Bild der Kerze auf die Wand. Die von den unzählig vielen Lichtpunkten der Kerze ausgehenden Lichtbündel durchdringen sich und erzeugen auf der Wand Kleckse in einer geordneten Form nebeneinander zu liegen kommen.

In der einfachsten Weise bewerkstelligt man das mit einer Lochblende zwischen Kerze und Wand. Den Effekt kann man gelegentlich in einem verdunkelten Zimmer beobachten, wenn durch eine kleine Öffnung Licht von der Außenwelt hereinkommt. Auch aus einer allseitig geschlossenen Pappschachtel, bei der in eine Seitenfläche ein kleines Loch eingestochen wurde, lässt sich eine Lochkamera bauen. Je kleiner die Öffnung, desto schärfer wird das Bild, da die Lichtkleckse kleiner werden und sich weniger überlappen. Gleichzeitig wird jedoch die Kamera lichtschwächer, da weniger Licht durch die Öffnung kommt. Der Vorteil der Lochkamera: Sie benötigt keine Scharfeinstellung.

Spiegelbilder

Fällt ein Lichtbündel, das von einem leuchtenden Punkt eines Gegenstandes ausgeht, auf eine Spiegelfläche, so werden alle Strahlen so reflektiert, wie es das Reflexionsgesetz beschreibt. Unser Bild für die Randstrahlen zeigt, dass ein divergentes Lichtbündel nach der Reflexion weiterhin divergent bleibt. Fällt jedoch ein Teil des Lichtbündels in das Auge des Betrachters, so verfolgt er die Strahlenrichtung in geradliniger Weise und sucht an ihrem Schnittpunkt den Ort des Gegenstandes.

Bilder mit Linsen

Fast alle optischen Geräte enthalten mehrere Linsen, Glaskörper in „linsenförmiger“ Gestalt. An jeder ihrer Grenzflächen zur umgebenden Luft tritt Lichtbrechung auf. Diesen Glaskörpern hat man durch Schleifen eine Form gegeben, sodass auffallende Lichtbündel nach der Brechung die erwünschte Richtung haben.

Sammellinsen

Bündeln das Licht; ihr Glaskörper ist in der Mitte dicker als am Rand.

Bei einer Linse oder einem Brillenglas stellt man dies fest, indem man Linse oder Brille in das parallele Sonnenlicht hält und überprüft, ob sich das Licht auf einen Punkt konzentrieren lässt.

Vorsicht: In diesem Brennpunkt ist die Temperatur so hoch, dass Gegenstände evtl. entzündet werden

Zerstreuungslinsen

• Linsen, deren Glas in der Mitte dünner ist als am Rand, zerstreuen das Licht.
• Parallele Lichtbündel, die auf solche Zerstreuungslinsen auffallen, sind nach der Brechung divergent und die Randstrahlen von divergenten Lichtbündeln laufen nach der Brechung noch weiter auseinander.
• Man erhält deshalb hinter Zerstreuungslinsen keine reellen Bilder.
• Es können jedoch virtuelle Bilder beobachtet werden; so sieht man die Welt verkleinert, wenn man durch eine Zerstreuungslinse hindurch schaut.

Das Auge =Optisches Gerät

• In dem verkleinerte, reelle Bilder unserer leuchtenden Umwelt auf die Netzhaut im Augapfel projiziert werden.
• Kugelförmiger Körper, mit einer kreisrunden, lichtdurchlässigen Öffnung, der Pupille
• Nach außen gekrümmte Hornhaut bildet Grenzfläche zwischen Luft und Augenflüssigkeit
• Licht bündelnde Wirkung durch die dahinter liegende Augenlinse verstärkt
• Diese Linse ist elastisch und kann durch einen sie umgebenden Ringmuskel in ihrer Krümmung verändert werden.
• Im „entspannten Zustand“ des Auges ist die Linse schwach gekrümmt; wir sehen weit entfernt Gegenstände scharf.
• Wollen wir dagegen Gegenstände in unserer Nähe betrachten, so müssen wir die Linse stärker krümmen, die Brennweite verkleinern.
• Nach der Brechung an Hornhaut und Linse gelangt das Licht durch den Glaskörper auf die Netzhaut des Auges, die lichtempfindliche Sinneszellen enthält.

Augenfehler und Brillengläser

• Mit zunehmendem Alter verliert die Augenlinse nach und nach ihre Elastizität.
• Es gibt aber auch angeborene Augenfehler.
• Wer kurzsichtig ist, kann evtl. noch ohne Brille lesen.
• Wie entfernte Gegenstände nimmt er nur verschwommen wahr.
• Augenoptiker geben die Stärke in Dioptrien an.

Erst durch Licht wird die Welt farbig

• Fällt ein schmales Lichtbündel farblosen Lichts durch ein Prisma aus Glas, so wird es an jeder Grenzfläche (also zweimal) gebrochen.
• Dadurch wird es aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt und „aufgespreizt“.
• In größerer Entfernung erhält man auf einem Schirm ein buntes Lichtband.
• Diese bei der Brechung auftretende „Auffächerung“ nach Farben wird als Dispersion bezeichnet; sie hängt von der Glassorte ab. Gelegentlich kann man sie auch an Glaswaren im Haushalt beobachten, wenn diese Einschliffe haben oder wenn ein Glasteil abgesprungen ist.

Elektrizitätslehre

Stromstärke

• Es bewegen sich viele Ladungsträger (Elektronen oder Ionen) in eine gemeinsame Richtung.

•  Unter der elektrischen Stromstärke versteht man den Quotienten aus der Anzahl der Ladungsträger und der Zeitspanne, in der diese Ladungsträger durch einen Leiterquerschnitt fließen.

• Da man Elektronen nicht zählen, sondern nur ihre Ladung messen kann, wird die obere Definition für die Praxis abgeändert:

•  Die elektrische Stromstärke ist der Quotient aus der Ladung (vieler Elektronen zusammengenommen) und der Zeitspanne, in der diese Ladungsmenge durch den Leiterquerschnitt fließt.

Medizinisches Rechnen

• Tropfen/min = Infusionsmenge in ml: Infusionsdauer mal 3
• Stündliche Einlaufzeit = Infusionsmenge in ml mal 20: Tropfenzahl/min mal 60
• Die Röntgendiagnostik beruht auf unterschiedlicher Schwächung von Röntgenstrahlung durch versch. Dichte der Gewebe
• Je stärker der Herzstrom, desto stärker der Anodenstrom, desto mehr Röntgenphotonen, d. h. mit dem Herzstrom wächst die Menge der Röntgenstrahlung.
• Durch die Hochspannung wird die Energie der Röntgenstrahlung bestimmt.

Grundprinzip für die medizinische Diagnostik

• Je größer die Energie eines Photons, desto größer ist die Chance, Materie ohne Ablenkung zu durchdringen.
• Je dichter die durchstrahlte Materie, desto kleiner ist die Chance des Photons, diese Materie ohne Ablenkung zu durchdringen.
• Die Röntgendiagnostik beruht auf der unterschiedlichen Scheidung von Röntgenstrahlung durch versch. dichtes Gewebe.

Wann entsteht charakteristische Strahlung?

Wenn die Entfernung unterschiedlich ist zwischen den verschiedenen Stoffen.

Nuklearmedizin – radioaktive Stoffe

• Nukleonen: Protonen, Neutronen
• Isotope: kann man fast alle künstlich herstellen
• Radioisotope: können plötzlich Isotope abstrahlen

3 verschiedene Strahlungen

• Alphastrahlung: Es entsteht eine genetische Energie auf die Materie und die Energie muss abgegeben werden. Es ist dann ein anderer Stoff entstanden. Diese Strahlung geht nicht so weit durch.
• Betastrahlung: Ein Elektron wird aus dem Kern herausbefördert. Das Neutron wandelt sich um in ein Proton und ein Elektron. Materie wird weiter durchdrängt.
• Gamma Strahlung: ist eine reine Energiestrahlung, die Materie wird noch weiter durchdrängt

Radioaktivität

• Eigenschaft der Atomkerne gewisser Isotope, ohne äußere Einflüsse umzuwandeln und dabei bestimmte Strahlen auszusetzen.
• Aktivität: Das ist die Anzahl der Kerne in einer Zeiteinheit
• Halbwertzeit: vom vorhandenen immer die Hälfte

Biologische Grundlagen der Strahlentherapie

• Je mehr Chromosomen vorhanden sind, desto größer ist die Trefferwahrscheinlichkeit für Strahlen.
• Wird ein Chromosom getroffen, stirbt die Zelle ab.
• Schäden entstehen meist erst in der nächsten oder über nächsten Generation.
• Reparaturmechanismus bei Chromosomenschäden; die wirksame Reparatur muss vor der nächsten Zellteilung erfolgen. Deshalb muss man wissen vor der Bestrahlung, wie tief der Tumor liegt, um nicht zu stark zu bestrahlen.

Verlauf

Lokalisation über genaue Lage des Tumors

Plan über Art und Verlauf:

• Strahlenart (Elektronen, Röntgen usw.)
• Strahlendosis (abhängig von Größe und Art des Tumors)
• Einstrahl Art (Mehrfeld, Kreuzfeuerbestrahlung oder Pendelbestrahlung)
• Bestrahlungsrhythmus (Strahlendosis auf mehrere Bestrahlungen verteilt)

Strahlenschutz

• Dosimetrie
• Energiedosis: D = absorbierte Strahlungsenergie: Masse des bestrahlten Gewebes
• Dosisleistung: D= Energiedosis: Zeit   

Weitere Quellen zu den Grundlagen der Physik

Physikalische Grundlagen
Grundwissen Physik
Grundlagen der Physik