Aufgabe 1 · Abitur NRW Physik GK · Protonentherapie 2026

Thema: Geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern · Aus der Prüfung GK · Protonentherapie (2026)

Aufgabenstellung

1 Aufgabe: Schonende Krebsbehandlung mit Protonentherapie

Seit 2014 werden am Universitätsklinikum Dresden Krebspatienten mit der Protonentherapie behandelt (M 1).

Damit relativistische Effekte in dieser Aufgabe vernachlässigt werden können, wird hier mit niedrigeren Energien gearbeitet, als am Klinikum verwendet werden.

a)

Nennen Sie je zwei Unterschiede und Gemeinsamkeiten von Röntgenstrahlung und Protonenstrahlung. [4 BE]

b)

Berechnen Sie die Geschwindigkeit, bei der die Protonen eine kinetische Energie von 4,5 MeV haben, als Anteil der Lichtgeschwindigkeit. [4 BE]

[Kontrollwert: v=0,098cv = 0{,}098c]

c)

Erläutern Sie, dass die Protonentherapie im Vergleich zur Behandlung von im Körperinneren liegenden Krebszellen mit Röntgenstrahlung deutlich schonender für den Patienten ist (M 1). [4 BE]

Material 1: Protonenstrahltherapie

Um krankhaftes Krebsgewebe im Inneren eines Körpers zu zerstören, welches nicht operativ entfernt werden kann, müssen die Zellen dieses Gewebes hinreichend viel Energie aufnehmen. Dies geschieht seit über einem Jahrhundert meist durch die Behandlung mit Röntgenstrahlung. Die Technik ist etabliert und wird an vielen Krankenhäusern in ganz Deutschland angewendet.

Am Universitätsklinikum in Dresden werden seit 2014 Patientinnen und Patienten mit hochenergetischen Protonen bestrahlt. Die Gewebetiefe im Körper, bei der es zur maximalen Energieabgabe kommt (Abb. 1), kann durch die Energie der Protonen variiert werden. Die maximale Energieabgabe von Röntgenstrahlung liegt immer dicht unter der Haut.

Aufgabenstellung: Aufgabe 1 · Abitur NRW Physik GK · Protonentherapie 2026

Lösung

Nach den offiziellen Korrekturhinweisen

1 a) Nennen Sie zwei Gemeinsamkeiten von Röntgenstrahlung und Protonenstrahlung.

Lösung: Transport von Energie / Geradlinige Ausbreitung (bei Abwesenheit von Feldern) / Energie kann an Material übertragen werden / Können ionisierend wirken bei ausreichender Energie / Interferenzfähigkeit / Beschreibbar als Strom von Quantenteilchen

1 a) Nennen Sie zwei Unterschiede von Röntgenstrahlung und Protonenstrahlung.

Lösung: Protonen haben eine Masse, Röntgenstrahlung nicht / Bewegte Protonen werden in elektrischen und magnetischen Feldern abgelenkt, Röntgenstrahlung hingegen nicht / Protonen haben eine Ladung, Röntgenstrahlung nicht / Die Energieabgabe der Strahlung an ein Material ist unterschiedlich (Bragg-Peak bei Protonen)

1 b) Berechnen Sie die Geschwindigkeit, bei der die Protonen eine kinetische Energie von 4,5 MeV haben, als Anteil der Lichtgeschwindigkeit.

Lösung: 0,098c / 0,098

1 c) Erläutern Sie, dass die Protonentherapie im Vergleich zur Behandlung von im Körperinneren liegenden Krebszellen mit Röntgenstrahlung deutlich schonender für den Patienten ist (M 1).

Lösung: Die Krebszellen müssen hinreichend viel Energie aufnehmen, um dadurch zerstört zu werden. In der Abbildung 1 erkennt man, dass die Energieabgabe der Protonen im Inneren des Körpers am Ort der Krebszellen maximal wird und davor und dahinter deutlich geringer ist. Bei der Röntgenstrahlung hingegen liegt das Maximum der Energieabgabe dicht unter der Haut und nimmt mit der Tiefe langsam ab. Um mit Röntgenstrahlung am Ort der Krebszellen genügend Energieabgabe für die Zerstörung zu erreichen, muss also in geringeren Tiefen noch mehr Energie abgegeben werden. Bei der Protonentherapie ist also zu erwarten, dass das gesunde Gewebe vor und hinter dem Tumor weniger Energie absorbiert und dadurch weniger geschädigt wird.

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