Aufgabe 3 - Teilaufgabe 1 · Abitur NRW Physik GK · Nachtermin 2022

Aufgabenstellung:

Aufgabe: Röntgendiagnostik

In der medizinischen Diagnostik nutzt man elektromagnetische Strahlung schon seit langer Zeit für bildgebende Verfahren.

Mit bildgebenden Verfahren werden Messdaten von Organen und weiteren Strukturen einer Patientin / eines Patienten erfasst, sodass sich zugrunde liegende Erkrankungen sichtbar machen lassen. Üblicherweise bestrahlt man dazu die zu untersuchende Struktur mit elektromagnetischer Strahlung, die anschließend einen Detektor erreicht. Zu den bedeutendsten bildgebenden Verfahren zählt die Röntgendiagnostik, die auf der Röntgenstrahlung beruht, nach der sie benannt ist.

Teilaufgabe 1: Röntgendiagnostik

a)

Historisch gesehen ist die Röntgendiagnostik die wichtigste medizinische Nutzung der Röntgenstrahlung. Eine bekannte Aufnahme zeigt die Hand von Albert von Kölliker, die Wilhelm Röntgen 1896 anfertigte (siehe Abbildung 1).

• Interpretieren Sie Abbildung 1 im Hinblick auf das unterschiedliche Absorptionsverhalten von Metall, Knochen und Luft.

Mithilfe eines sogenannten „Kontrastmittels“ lassen sich Strukturen darstellen, die auf einer Röntgenaufnahme sonst nicht zu sehen wären (zum Beispiel Blutgefäße bei einer „Angiografie“).

• Erklären Sie, über welche Eigenschaft ein solches „Kontrastmittel“ verfügen muss.

b)

Man unterscheidet grob „weiche“ Röntgenstrahlen mit einer Wellenlänge über $40\text{ pm}$ und „harte“ Röntgenstrahlen mit einer Wellenlänge unter $40\text{ pm}$. Bei der Mammografie, einer besonderen Form der Röntgendiagnostik, nutzt man Wellen mit einer Frequenz von ungefähr $f = 6\cdot 10^{18}\text{ Hz}$.

• Entscheiden Sie durch Rechnung, ob die in der Mammografie verwendeten Wellen zur „weichen“ oder zur „harten“ Röntgenstrahlung zählen.

Nach der Lichtquantenhypothese besitzt jede elektromagnetische Welle eine bestimmte Photonenenergie.

• Berechnen Sie die Photonenenergie der Röntgenstrahlung, die bei der Mammografie verwendet wird.

c)

Wie Gammastrahlen und hochenergetische UV-Strahlen gehören auch Röntgenstrahlen zu den „ionisierenden“ elektromagnetischen Strahlungsarten.

• Erklären Sie, was man unter „ionisierender Strahlung“ versteht.

• Geben Sie zwei andere Strahlungsarten an, die ebenfalls ionisierend wirken.

Wegen ihrer schädigenden biologischen Wirkung darf ionisierende Strahlung in der medizinischen Diagnostik nur nach sorgfältigem Abwägen angewendet werden.

• Erklären Sie, warum ionisierende Strahlung menschliches Gewebe zerstörend schädigt und inwiefern sich diese Wirkung therapeutisch (also zum Nutzen der Patientin / des Patienten) einsetzen lässt.

• Geben Sie zwei Maßnahmen an, durch die sich die Strahlenbelastung des medizinischen Personals in der Röntgendiagnostik niedrig halten lässt.

• Begründen Sie diese zwei Maßnahmen.