Abitur Rheinland-Pfalz Physik 2026 · GK · Photonen in der Zahnmedizin

Photonen in der Zahnmedizin

In der Zahnmedizin werden Lichtquellen für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt, unter anderem zur Ausleuchtung des Mundraumes und bei der Aushärtung von Füllmaterialien.

Material 1: Polymerisationslampen

Polymerisationslampen sind in der heutigen Zeit Bestandteil der Ausstattung jeder Zahnarztpraxis. Sie müssen hinreichend energiereiche Photonen in genügend hoher Anzahl pro Sekunde liefern, damit die Kunststofffüllungen (M 2) von Zähnen aushärten. Ein Maß für die Intensität einer Lichtquelle ist die Gesamtenergie der Photonen pro Zeiteinheit und Fläche. Es gibt Polymerisationslampen mit unterschiedlichen Leistungen und Wellenlängen. Gehen Sie bei der Bearbeitung der Aufgabe davon aus, dass pro $\text{cm}^2$ Zahnfläche eine Leistung von $1400\text{ mW}$ von einer Polymerisationslampe mit einer Wellenlänge von $450\text{ nm}$ ankommt, wobei sie für $20\text{ s}$ auf einen Zahn gerichtet wird.

a

Erläutern Sie das Prinzip der Absorption und Emission von Licht durch Atome modellhaft anhand von Energieniveaus. [4 BE]

Photonen in der Zahnmedizin

In der Zahnmedizin werden Lichtquellen für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt, unter anderem zur Ausleuchtung des Mundraumes und bei der Aushärtung von Füllmaterialien.

Material 1: Polymerisationslampen

Polymerisationslampen sind in der heutigen Zeit Bestandteil der Ausstattung jeder Zahnarztpraxis. Sie müssen hinreichend energiereiche Photonen in genügend hoher Anzahl pro Sekunde liefern, damit die Kunststofffüllungen (M 2) von Zähnen aushärten. Ein Maß für die Intensität einer Lichtquelle ist die Gesamtenergie der Photonen pro Zeiteinheit und Fläche. Es gibt Polymerisationslampen mit unterschiedlichen Leistungen und Wellenlängen. Gehen Sie bei der Bearbeitung der Aufgabe davon aus, dass pro $\text{cm}^2$ Zahnfläche eine Leistung von $1400\text{ mW}$ von einer Polymerisationslampe mit einer Wellenlänge von $450\text{ nm}$ ankommt, wobei sie für $20\text{ s}$ auf einen Zahn gerichtet wird.

b)

Berechnen Sie aus den Daten in Material 1 die Anzahl der Photonen pro „Quadratzentimeter Zahn“, die von der Polymerisationslampe ankommen.

Material 2: Kunststofffüllungen

Kunststofffüllungen bestehen aus einer Kombination von Materialien. Die Aushärtung ist ein chemischer Prozess im Material. Zum Auslösen dieses Prozesses müssen lichtsensitive Initiatoren (Photoinitiatoren) aktiviert werden, die sich in der Kunststofffüllung befinden. Dies geschieht durch Bestrahlung mit Photonen bestimmter Wellenlängen.

Es gibt unterschiedliche Photoinitiatoren, wobei in Abbildung 1 die Absorptionsspektren von zweien dieser Photoinitiatoren dargestellt sind.

Für eine Zahnfüllung kommen unterschiedliche Füllmaterialien in Frage (M 2). Bevor die jeweilige Füllung aushärten kann, muss sie jedoch stets im Zahn angepasst werden. Bei der Beleuchtung des Mundraumes während der Anpassung der Füllung kommt es auf geeignetes Licht an, damit der Zahnarzt gut arbeiten kann.

a)

Begründen Sie mithilfe von Material 2, welcher Wellenlängenbereich bei Verwendung des Photoinitiators Campherchinon ausgeschlossen werden muss.

Nach der Anpassung erfolgt die Aushärtung der Füllung durch Beleuchtung mit einer Polymerisationslampe. Im Folgenden wird vereinfacht nur der Prozess betrachtet, bei dem der Photoinitiator Lucirin mit Licht der Wellenlänge für maximale relative Absorption (M 2, Abb. 1) bestrahlt wird.

b)

Stellen Sie diesen Prozess der Absorption grafisch mithilfe eines vereinfachten Energieniveauschemas dar.

Berechnen Sie dazu die Energiedifferenz zwischen Ausgangsniveau und angeregtem Niveau.

Material 3: Fluoreszenzspektren

Fluoreszenz ist die spontane Emission von Licht kurz nach Anregung der Bestandteile eines Materials durch Absorption von Licht. Dabei kann das emittierte Licht eine geringere Photonenenergie als das absorbierte haben. Ein Fluoreszenzspektrum stellt die Intensitäten der verschiedenen Wellenlängen in der emittierten Fluoreszenzstrahlung dar, wobei die Anregung in diesem Fall mit einer festen Wellenlänge im UV-Bereich erfolgt. Die folgende Abbildung zeigt das Fluoreszenzspektrum eines unbehandelten Zahnes.

Um ein möglichst unauffälliges Füllmaterial im UV-Licht zu finden, wurden die Fluoreszenzspektren von drei verschiedenen Füllmaterialien untersucht.

Das Aussehen eines unbehandelten Zahns bei Bestrahlung mit UV-Licht wird durch sein Fluoreszenzspektrum bestimmt (M 3).

Damit der behandelte Zahn im Vergleich zu den unbehandelten Zähnen möglichst unauffällig erscheint, sucht man Füllmaterialien, die ähnliche Fluoreszenzeigenschaften haben wie der Zahn selbst.

a)

Beschreiben Sie mithilfe eines beschrifteten Energieniveauschemas die Entstehung des Lichtes einer Wellenlänge im Fluoreszenzspektrum in Material 3 (Abb. 2).

b)

Planen Sie ein geeignetes Experiment, mit dem sich die Fluoreszenzspektren der Füllmaterialien (M 3, Abb. 3) mithilfe eines Spektrometers (Gerät zur Aufnahme eines Spektrums) aufnehmen lassen.

Hinweise: Zu Ihrer Planung gehören eine beschriftete Skizze des Aufbaus und die Beschreibung der Durchführung des Experiments.

c)

Begründen Sie, welches der Füllmaterialien (M 3, Abb. 3) am besten geeignet ist, damit Zähne mit Füllungen unter UV-Licht (z. B. Schwarzlicht im Club) möglichst unauffällig erscheinen.

4 Blaues Licht der Polymerisationslampe beim Zahnarzt löst bei einer Mutter, die mit ihrem Sohn einen Zahnarztbesuch absolviert hat, Sorgen bezüglich Gesundheitsschädigungen aus (M 4).

Erläutern Sie in einer Antwort an die Mutter die Faktoren, die bei der Bestrahlung mit blauem Licht einen negativen Einfluss auf die Augen haben könnten und inwieweit ihre Bedenken im Hinblick auf ihren Sohn gerechtfertigt sind.

Gehen Sie in Ihrer Antwort auch darauf ein, ob die Maßnahme des Tragens einer Schutzbrille, wie beim medizinischen Personal, ebenfalls für den Sohn erforderlich ist.

Material 4: Risiko des blauen Lichts beim Zahnarzt

Aus urheberrechtlichen Gründen kann der Forenbeitrag des Materials vier hier nicht wiedergegeben werden. Er findet sich als erster Eintrag auf der folgenden Internetseite:

https://www.taschenlampen-forum.de/threads/blaues-licht-beim-zahnarzt.62428/