Physik und Medizin - Физика и Медицина |
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Physik und Medizin | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Teil 3: Medizin Kapitel 3.1: Physik und Medizin In der Forschung sind Teilchenphysiker auf der Suche nach den fundamentalsten Teilchen und ihren Kräften. Mit Hilfe von technisch hoch entwickelten und speziell für bestimmte Messungen entwickelte Detektoren können die Teilchen nachgewiesen werden. Um die Eigenschaften der kleinsten Bausteine der Materie zu untersuchen, stellen Hochenergiephysiker höchste Anforderungen an ihre Experimente in den Teilchenbeschleunigeranlagen. Präzision und Qualität der benötigten Messtechniken und -methoden sind unerlässlich, um Energie, Impuls oder Positionierung des Teilchens zu erkunden und sie somit zu identifizieren. Die modernen Technologien der Forschung sind aber nicht nur mittelbare Faktoren für die Erforschung fundamentaler wissenschaftlicher Fragestellungen. Sie bringen auch direkt unmittelbar anwendbaren Nutzen für die Allgemeinheit Menschen. Die in der Wissenschaft entwickelten Nachweisgeräte für die physikalischen Experimente können darüber hinaus, z. B. in der Medizin, zur Darstellung der nicht direkt sichtbaren Bereiche des menschlichen Körpers (Bildgebung) genutzt werden. Mit Hilfe solcher bildgebenden Systeme werden verschiedene Verfahren wie die Transmissionsradiographie und Computer Tomographie (CT) in der Röntgendiagnostik oder Single-Photon-Emission-Computer-Tomographie (SPECT)- und Positron-Emission-Tomographie (PET)-Verfahren in der Nuklearmedizin zur Diagnose von Krankheiten angewandt. Erkrankte Bereiche des Körpers werden so identifiziert und sichtbar gemacht. Aber auch die Behandlung von Tumorkrankheiten wird durch die Schwerionentherapie erfolgreicher. Alle diese Techniken basieren auf kern- und teilchenphysikalischer Grundlagenforschung und werden im Zuge des Fortschritts in Wissenschaft und Technik ständig verfeinert. Teilchen sind mit bloßem Auge nicht sichtbar und nur durch ihre Wechselwirkungen mit Materie nachweisbar. Beim Flug geladener und neutraler Teilchen, z. B. Photonen, durch Materie treten unterschiedliche Wechselwirkungen auf. Photonen erzeugen beim Durchqueren der Materie geladene Teilchen durch Fotoeffekt, Compton-Streuung oder Paarbildung. Ionisation und Anregung von Atomen sind Prozesse, die bei geladenen Teilchen wie Elektronen auftreten. In den folgenden Kapiteln sollen die Wechselwirkungen beider Teilchenarten mit Materie erläutert werden. Danach werden verschiedene Detektionsverfahren erklärt. Zum Schluss soll der Zusammenhang teilchenphysikalischer Forschung und medizinischer Anwendung der Detektorsysteme näher betrachtet werden. Umsetzung in der Schule: Ziel dieser Einheit ist es, eine Einleitung und Einführung in das Thema „Medizin und Physik“ zu bieten. Beispielhaft werden Anwendungen aus dem Alltag beschrieben, um den unmittelbaren Nutzen für die Menschen darzustellen. Um diesen Themenbereich im Unterricht einzuführen, kann man mit der Entdeckung der Röntgenstrahlung beginnen. Ein Rückblick in das Jahr 1895, als Wilhelm Conrad Röntgen durch Zufall die nach ihm benannte Strahlung entdeckte und nachwies, zeigt, dass die neue Erkenntnis nicht nur einen wissenschaftlichen Fortschritt auf dem Gebiet der Physik brachte. Durch die Entwicklung der Röntgenbildtechnik konnten auch Erfolge in der medizinischen Diagnostik verzeichnet werden. Röntgen erhielt daraufhin 1901 den ersten Nobelpreis in Physik. Diese motivierende Einführung soll das Interesse der Schüler für den Zusammenhang zwischen Physik und Medizin wecken. Waren es doch immer wieder die eher zufälligen physikalischen Entdeckungen, die in der Medizin als Grundlage für ungeahnte Fortschritte bei der Erkennung und Bekämpfung von Krankheiten dienten. Es ist davon auszugehen, dass Röntgenbilder den Schülern allgemein vertraut sind. Die Physik der Röntgenstrahlen eignet sich damit hervorragend als Beispiel für die Hinführung zu der behandelnden Thematik . Auf weitere Hintergrundinformationen zu Erzeugung und Eigenschaften der Röntgenstrahlen wird hier nicht weiter eingegangen, da sie nicht zum Verständnis von Detektoren in der Teilchenphysik und deren Anwendung in der Medizin nötig sind. Ist von Seiten der Schüler weiteres Interesse zum Thema der Röntgenstrahlung vorhanden, so kann man näher auf die historischen und physikalischen Hintergründe der Röntgenstrahlen eingehen. In einigen Büchern der Sekundarstufe I wird die Röntgenstrahlung erwähnt. Ihre genaue Entstehung wird dort allerdings nicht besprochen. Ausführlichere Hintergründe und Erklärungen erhält man unter dem angegebenen Link zur Röntgenstrahlung , unter dem eine Bearbeitung zur Vereinfachung der Thematik steht. Auf den Seiten des Deutschen Röntgenmuseums werden unter andere spektakuläre Röntgenaufnahmen gezeigt, die sicherlich geeignet sind, die Aufmerksamkeit und das Interesse von Schülern zu erhöhen. Des Weiteren muss der aktuelle Bezug der Physik zur Medizin hergestellt werden. Die Schüler sollen erfahren, dass gerade neuere Erkenntnisse der modernen Teilchenphysik in der Medizin die Basis für mögliche Anwendungen bieten. Hierbei handelt es sich um Anwendungen physikalischer Techniken sowohl in der medizinischen Diagnostik als auch in der Therapie von Krankheiten. An dieser Stelle können bildgebende Verfahren oder Strahlentherapie kurz erläutert oder als eigenes Thema vorgezogen werden. Auf die technischen Zusammenhänge mit den Teilchendetektoren kann dann später fakultativ eingegangen werden. Will man die Teilchenphysik den medizinischen Anwendungen jedoch vorziehen, empfiehlt sich eine Verdeutlichung der Vorgänge zur Detektion von Teilchen. Eine Möglichkeit der Behandlung von Teilchendetektoren liegt in dem Unterrichtsvorschlag, wie er in den Unterrichtseinheiten über Kern- und Teilchenphysik beschrieben ist. Hier kann man die Seiten der Teilchenidentifikation nutzen, um den Sinn und Zweck von Detektoren zu erläutern. Dies ist aber nicht zwingend notwendig, da man auch erst einmal das Thema allgemein behandeln kann, ohne sich näher mit Detektorbildern zu beschäftigen. Man sollte dem Schüler nun verdeutlichen, wie der Nachweis von Teilchen überhaupt geführt wird. Dem Schüler sollte bewusst sein, dass Teilchen mit bloßen Augen nicht wahrzunehmen sind. Vielmehr werden die Wechselwirkungen zwischen Teilchen und Materie genutzt, um die Spur des Teilchens auf seinem Weg durch die Materie wahrzunehmen. Daher benötigt man spezielle Geräte (Detektoren) zur Untersuchung der Teilchen. Welche genauen Wechselwirkungen zwischen Materie und Teilchen auftreten, wird in den nächsten beiden Einheit näher beschrieben. Dieses Skript beschränkt sich auf Photonen und elektromagnetische Wechselwirkungen geladener Teilchen, wie Elektronen und positive Ionen. Starke Kern-Wechselwirkungen werden nicht erwähnt. Kapitel 3.2: Photonen in Materie Haben Photonen eine hohe Energie, können sie Materie sehr gut durchdringen, gehen dort aber auch Wechselwirkungen mit den vorhandenen Atomen ein. Diese Prozesse können sogar schon in dem Wellenlängenbereich von UV-Licht auftreten. Durch den daraus resultierenden Energieverlust erhalten sie eine Schwächung und werden abgebremst. Photonen werden nicht direkt nachgewiesen, sondern über die Elektronen, die sie durch die Energieabgabe freisetzen. Ein einzelnes Photon überträgt seine gesamte Energie auf ein Elektron, so dass es von der Materie absorbiert wird. Das Elektron wird dadurch freigesetzt. Ein Photonenstrahl wird durch diese Absorption geschwächt, denn die Anzahl seiner Photonen nimmt mit dem Weg durch die Materie ab. Die Schwächung der Photonen ist von deren Anfangsenergie unabhängig. Grundsätzlich wird ein Ensemble (Strahl) von Photonen exponentiell geschwächt. Für die Intensität I der Teilchen gilt: . Dabei ist I0 die Anfangsintensität und der Absorptionskoeffizient. Ein einzelnes Photon erfährt beim Durchqueren der Materie keinen partiellen Energieverlust, es gibt entweder seine Gesamtenergie ab oder es behält seine gesamte Energie. Die Photonen werden nicht abgebremst, nur der Photonenstrahl wird geschwächt. Die möglichen Reichweiten der einzelnen Photonen haben unterschiedliche Werte, im Gegensatz zu geladenen Teilchen. Photoeffekt, Compton-Streuung und Paarbildung sind die drei Effekte, die auftreten können, wenn Photonen Materie durchdringen. |
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