Erste Hilfe - Chemie und Physik für Mediziner, 2. Auflage

554 Pages·2012·11.03 MB·German

by  Jürgen Schatz

Basiseinheiten des SI-Systems
Physikalische Größe Symbol SI-Einheit Definition
Länge m Meter Strecke, die Licht im Vakuum in 1∕299.792.458 s zurücklegt
Masse kg Kilogramm Standard-Kilogramm (Urkilogramm) aus Platin (Pt) und Iridium (Ir); wird in Paris aufbewahrt
Zeit s Sekunde 9.192.631.770 Perioden eines bestimmten Strahlungsübergangs von 133Cs (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 12C (Avogadro-Konstante: 6,022 · 1023 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/m2 = kg/m s2
Energie, Arbeit, Wärmemenge E, A, Q J Joule J = N m = m2 kg/s2
Leistung P W Watt W = J/s = m2 kg/s3
Elektrische Ladung q C Coulomb C = A s
Elektrische Spannung U V Volt V = W/A = m2 kg/s3 A
Kapazität C F Farad F = C/V = s4 A2/m2 kg
Elektrischer Widerstand R Ω Ohm Ω = V/A = m2 kg/s3 A2
Elektrischer Leitwert G S Siemens S = A/V = s3 A2/m2 kg
Magnetischer Fluss Φ Wb Weber Wb = V s = m2 kg/s2 A
Magnetische Induktion B T Tesla T = Wb/m2 = kg/s2 A
Induktivität L H Henry H = Wb/A = m2 kg/s2 A2
Lichtstrom Φ lm Lumen lm = cd sr
Beleuchtungsstärke E lx Lux lx = lm/m2 = cd sr/m2
Radioaktivität A Bq Becquerel Bq = 1/s
Absorbierte (Strahlen-)Dosis D Gy Gray Gy = J/kg = m2/s2
Dynamische Viskosität η Pa s Pascalsekunde Pa s = kg/m s
Drehmoment M N m Newtonmeter N m = m2 kg/s2
Oberflächenspannung σ N/m Newton pro Meter N/m = kg/s2
Wärmeflussdichte j W/m2 Watt pro m2 W/m2 = kg/s3
Wärmekapazität, Entropie C, S J/K Joule pro Kelvin J/K = m2 kg/s2 K
Spezifische Wärmekapazität c J/kg K Joule pro Kilogramm und Kelvin J/kg K = m2/s2 K
m
Spezifische Energie J/kg Joule pro Kilogramm J/kg = m2/s2
Thermische Leitfähigkeit λ W/m K Watt pro Meter Kelvin W/m K = m kg/s3 K
Energiedichte J/m3 Joule pro m3 J/m3 = kg/m s2
Elektrische Feldstärke E V/m Volt pro Meter V/m = m kg/s3 A
Elektrische Ladungsdichte C/m3 Coulomb pro m3 C/m3 = A s/m3
Elektrische Flussdichte C/m2 Coulomb pro m2 C/m2 = A s/m2
Influenz F/m Farad pro Meter F/m = s4 A2/m3 kg
Permeabilität μ H/m Henry pro Meter H/m = m kg/s2 A2
Molare Energie J/mol Joule pro Mol J/mol = m2 kg/s2 mol
Molare Entropie, molare Wärmekapazität J/mol K Joule pro Mol Kelvin J/mol K = m2 kg/s2 K mol
Exposition C/kg Coulomb pro Kilogramm C/kg = s A/kg
Absorbierte Dosisrate D˙ Gy/s Gray pro Sekunde Gy/s = m2/s3
Springer-Lehrbuch
Jürgen Schatz (Hrsg.)
Robert Tammer (Hrsg.)
Erste Hilfe –
Physik und Chemie
für Mediziner
Mit 422 farbigen Abbildungen und 79 Tabellen
2., korrigierte Auflage
123
Prof. Dr. rer. nat. Jürgen Schatz
Department Chemie und Pharmazie
Lehrstuhl Organische Chemie 1
Universität Erlangen-Nürnberg
Henkestraße 42
91054 Erlangen
Dr. rer. nat. Robert Tammer
Inst. f. Quanteninformationsverarbeitung
Universität Ulm/Büro: N25 / 4407
Albert-Einstein-Allee 11
89069 Ulm
E-Mail: [email protected]
ISBN-13 978-3-642-20413-5 Springer Medizin Verlag Heidelberg
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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 80023510
Gedruckt auf säurefreiem Papier 15/2117 – 5 4 3 2 1 0
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 Bildungs-
system. 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 Grund-
voraussetzungen 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 be-
treuenden 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
Vorwort zur 1. Auflage
Herzlichen Glückwunsch, Sie haben einen Studienplatz in der Medizin oder einer vergleichbaren Lebenswis-
senschaft 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 Vor-
klinik, 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 Haupt-
probleme: die einzelnen Studierenden bringen aus ihrer Schulzeit extrem unterschiedliche naturwissen-
schaftliche Kenntnisse mit, die erst auf ein einheitliches Niveau gebracht werden müssen. Nach unserer Er-
fahrung gibt es ein weiteres Problem: die meist geringen mathematischen Kenntnisse erschweren einen Zu-
gang 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 erforder-
te 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. Eben-
so 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
VII
Die Herausgeber
Jürgen Schatz, 1966
Hobbys: Familie, Lesen, Trompete
Lieblingsfach: Organische Chemie
Berufsziel: Na ja, bin ganz zufrieden
Warum ich Herausgeber bin: Wenn es einigen hilft, durchs Studium zu kommen, hat es sich rentiert!
Robert Tammer, 1958
Hobbys: Familie – 3 Kinder und deren Hobbys, selber spiele ich Tennis
Lieblingsfach: Experimentelle Physik, Speziell alles was mit Optik zu tun hat
Berufsziel: Meistens genau das was ich mir vorgestellt habe
Warum ich Herausgeber bin: Physik von Medizinern für Mediziner – könnte manchem Medizinstudenten
den Zugang zur Physik in der Medizin erleichtern!

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