Ich habe kürzlich einen Rauchmelder gekauft und ein kleines radioaktives Symbol auf der Verpackung bemerkt, was
mich zu der Frage veranlasste: Warum sind Rauchmelder radioaktiv? Nun, in diesem Video werden wir das
Innere dieses Rauchmelders erkunden, sehen, wie er funktioniert, und verstehen, wie radioaktiver Zerfall zur Raucherkennung genutzt wird
. Bleiben Sie außerdem bis zum Ende, wo wir zwei verwandte Themen oder Zweige besprechen:
wie Geigerzähler funktionieren und warum Atome mit hohen Ordnungszahlen kontraintuitiv klein sind.
Dieses Video wird von PCBWay gesponsert; Mehr dazu später, aber jetzt fangen wir gleich an.
Wenn wir den Rauchmelder öffnen, finden wir eine Reihe von Komponenten. Hier haben wir die Batterie,
die natürlich fast immer leer ist und ausgetauscht werden muss … nur ein Scherz … aber wirklich …
Hier haben wir den piezoelektrischen Lautsprecher, der sowohl den Alarm als auch dieses Zwitschern erzeugt,
das ehrlich gesagt zu den frustrierendsten Geräuschen der Welt zählt . Als nächstes haben wir eine
durchkontaktierte Leiterplatte oder PCB, die nur wenige Grundkomponenten enthält und so konzipiert ist, dass sie
äußerst kostengünstig ist. Auf der Platine befindet sich der Hauptmikrochip und schließlich haben wir hier das
Herzstück des Rauchmelders, einen Metallzylinder, der an allen Seiten Lüftungsschlitze hat, durch die Luft und
Rauch strömen können. Auf der Innenseite dieser Kuppel befindet sich ein kurzer Zylinder mit einer Metallscheibe oben
und einer weiteren unten, wobei beide durch Kunststoff getrennt und gehalten werden. In der Mitte der unteren
Scheibe befindet sich eine kleine Vertiefung mit 300 Nanogramm des Isotops Americium-241, das radioaktiv ist und
daher dieses Symbol auf der Verpackung erfordert. Bevor wir weitermachen, ist es wichtig zu sagen,
dass das Öffnen eines ionisierenden Rauchmelders wie diesem gefährlich ist und niemals durchgeführt werden sollte,
auch nicht unter Aufsicht eines Erwachsenen. Americium ist, wie bereits erwähnt, radioaktiv und während es sich
im Metallzylinder befindet, ist es absolut sicher, aber außerhalb ist es sehr gefährlich, insbesondere wenn es eingeatmet
oder eingenommen wird. Wir nehmen es auseinander, sodass Sie das nicht tun müssen, und wenn das gesagt ist, machen wir weiter.
Wie erkennt dieses radioaktive Gerät Rauch? Nun, die kleine Menge radioaktives
Americium-241 emittiert Alphateilchen, die hochenergetische, sich unglaublich schnell bewegende
Heliumkerne mit zwei Protonen, zwei Neutronen und keinen Elektronen sind und somit positiv geladene Ionen sind.
Wie schnell? Nun, sie werden mit etwa 15.000 Kilometern pro Sekunde aus dem Americium-Kern ausgeschleudert,
was etwa 5 % der Lichtgeschwindigkeit oder 2.000-mal schneller als die internationale
Raumstation oder 419.000-mal schneller als ein Gepard ist … Diese unglaubliche Menge an kinetischer Energie
macht die Strahlung gefährlich. Die anderen Arten des radioaktiven Zerfalls sind übrigens der
Beta- und der Gamma-Zerfall, bei denen es sich um sich unglaublich schnell bewegende Elektronen bzw. hochenergetische
Photonen handelt. In ionisierenden Rauchmeldern erzeugt Americium-241 jedoch überwiegend
Alphateilchen. Während diese positiv geladenen Heliumkerne mit lächerlicher Geschwindigkeit ausgestoßen werden, treffen
die Alphateilchen auf Atome in der Atmosphäre und schlagen ihnen Elektronen ab,
wodurch positiv geladener Stickstoff, Sauerstoff, andere Gase und Tausende von freien Elektronen entstehen.
Beachten Sie, dass jedes Atom oder Molekül, das ein Elektron verloren oder gewonnen hat, geladen ist und daher als
Ion bezeichnet wird. Tatsächlich hat ein einzelnes Alphateilchen genug Energie, um etwa 10.000 positiv geladene
Sauerstoff- und Stickstoffionen und Zehntausende Elektronen zu erzeugen. Dieser Vorgang wird ionisierende
Strahlung genannt. Ein Professor von mir bezeichnete ein Alphateilchen einmal als einen Stier in einer
Töpferwerkstatt. Alphateilchen treffen auf alles und verursachen so atomares Chaos. Hier ist ein Bild einer
Wolkenkammer mit Americium-241, und darin können Sie die von einzelnen Alphateilchen erzeugten Pfade sehen.
Übrigens, wer auch immer diese radioaktiven Rauchmelder als „ionisierende Rauchmelder“ vermarktet hat,
ist ein Genie, denn seien wir ehrlich, niemand würde jemals einen „radioaktiven Rauchmelder“ kaufen.
Aber wir schweifen ab. Außerhalb dieses Geräts würden diese Elektronen und positiv geladenen
atmosphärischen Ionen schließlich rekombinieren und neutral werden. In diesem Gerät, das als
Ionisationskammer bezeichnet wird, möchten wir jedoch den Alpha- Zerfall nutzen, um Rauch zu erkennen. Dazu
verwenden wir zwei Metallscheiben und legen die Spannung der Batterie an die obere und untere
Scheibe an, sodass die Oberseite positiv und die Unterseite negativ geladen ist. Wie Sie vielleicht wissen,
ziehen sich negative und positive Ladungen an. Dadurch werden die negativ geladenen Elektronen
von der oberen positiv geladenen Metallplatte angezogen und umgekehrt werden die positiven Sauerstoff-
und Stickstoffionen von der unteren Scheibe angezogen. Ein Elektronenfluss ist ein Strom, und
mithilfe der Schaltkreise in diesem Chip können wir den Strom messen, der zur oberen Platte fließt, was
unter normalen Bedingungen geschieht, wenn kein Rauch vorhanden ist. Wenn Sie genauere Zahlen wünschen:
Die Menge an Americium in diesem Rauchmelder oder dieser Alphaquelle emittiert etwa 37.000 Alphateilchen
pro Sekunde, was dazu führt, dass Hunderte Millionen Elektronen von ihren Atomen abgezogen werden, was
jedoch nur etwa 50 Pikoampere entspricht Strom, der eher klein ist. Dies liefert eine Basislinie
für die Strommenge, die aufgrund der ionisierenden Strahlung von Americium-241 fließt.
Wenn jedoch Rauch durch diese Lüftungsöffnungen in den Zylinder eindringt,
ändern sich die Umgebung und die Umstände. Rauch enthält viel Kohlenmonoxid, Kohlendioxid,
größeren Ruß oder komplexere Kohlenstoffstrukturen, unverbrannte Stoffe, flüchtige Verbindungen und eine ganze
Reihe anderer Komponenten. Wenn sich also Rauch von einem Feuer, glimmende Brennstoffe oder verbranntes
Popcorn in der Ionisationskammer befinden, fängt diese sowohl die Alphateilchen als
auch die ionisierten Luftmoleküle und Elektronen ab und verhindert so, dass die Elektronen die obere
Platte erreichen und positive Ionen austreten Erreichen der unteren Platte. Wenn keine Elektronen zur oberen Platte fließen, bedeutet dies, dass
kein Strom vorhanden ist. Dieser Mangel an Strom wird vom Mikrochip hier unten gemessen, der
wiederum den piezoelektrischen Alarm auslöst, der Sie darauf aufmerksam macht, dass es brennt oder Sie schlecht kochen können.
In dieser Anwendung werden Alphateilchen verwendet, da Alphateilchen von den drei Strahlungsarten Alpha,
Beta und Gamma das größte ionisierende Potenzial haben. Mit anderen Worten: Sie produzieren
die größte Anzahl an Ionen und einen stetigen Stromfluss in der Ionisationskammer, wenn kein Rauch
vorhanden ist. Darüber hinaus werden Alphateilchen, obwohl sie mit enormer Energie ausgestoßen werden,
tatsächlich von praktisch allem aufgehalten. Dies liegt daran, dass es sich um Heliumkerne handelt,
die viel größer sind als die Beta- oder Gammateilchen. Nur ein paar Zentimeter Luft,
ein dünnes Stück Plastik oder ein paar Schichten Hautzellen reichen aus, um Alphateilchen aufzuhalten.
Gammateilchen oder Photonen sind jedoch gefährlicher, da sie sich viel weiter
und durch viel dickere Objekte ausbreiten können und nur dichte Metalle wie Blei oder Betonschichten sie aufhalten können
. Und Betapartikel können durch die Haut wandern, aber nur eine dünne Aluminiumplatte kann sie aufhalten.
Lassen Sie uns also drei mögliche Fragen beantworten, die Sie möglicherweise haben. Warum ist Americium-241 radioaktiv?
Wie wird es hergestellt? Und schließlich: Gibt es noch andere Arten von Rauchmeldern?
Nun, Americium-241 steht ganz unten im Periodensystem. Es hat 95 Protonen und 146
Neutronen in seinem Kern und 95 Elektronen in seinen Schalen. Sie kennen wahrscheinlich die Idee,
dass sich gleiche Ladungen gegenseitig abstoßen. Nun, hier haben wir 95 positive Ladungen und eine Menge Neutronen, die
alle durch die starke Kernkraft zusammengeklebt werden. Die Abstoßungskräfte dieser 95 Protonen
und ihr Verhältnis zu Neutronen machen den Kern jedoch instabil, sodass die Wahrscheinlichkeit besteht, dass er
zwei Neutronen und zwei Protonen abstößt und sich so in Neptunium 237 verwandelt. In diesem Rauchmelder
haben wir 300 Nanogramm Americium, was etwa 750 Billionen Atomen entspricht, und im Laufe
von 432,2 Jahren wird diese Zahl in 375 Billionen Atome Americium-241
und 375 Billionen Atome Neptunium-237 zerfallen sein. Neptunium-237 ist übrigens auch radioaktiv
und emittiert Alphateilchen, hat aber aufgrund des stabileren Verhältnisses von Protonen zu Neutronen eine
Halbwertszeit von 2,14 Millionen Jahren. Kommen wir also zur zweiten
Frage: Wie wird Americium-241 hergestellt? Interessanterweise wird es in
Kernkraftwerken durch die Neutronenaktivierung von Plutonium-239 und 240 zu Plutonium-241 erzeugt, und
Plutonium emittiert anschließend Betateilchen und zerfällt in Americium-241. Das bedeutet, dass
alle ionisierenden Rauchmelder Material enthalten, das aus einem Kernreaktor stammt!
Dieses Americium liegt übrigens in Form von Americiumoxid vor und ist aus Sicherheitsgründen mit einer dünnen Goldschicht versehen
. Jeder Rauchmelder enthält eine so unglaublich kleine Menge Americium,
dass ein einziges Gramm, das in einem Kernkraftwerk erzeugt wird,
Zehntausende oder mehr Rauchmelder produzieren kann. Gibt es schließlich eine andere Möglichkeit, Rauch zu erkennen?
Und die Antwort lautet: Ja, die häufigste Methode zur Raucherkennung ist die Verwendung eines fotoelektrischen
Sensors oder von Licht, aber zusätzlich zu diesen beiden Methoden gibt es noch eine Reihe anderer Methoden. Photoelektrische
Rauchmelder verfügen über eine LED auf der einen Seite einer Kammer und einen Sensor auf der anderen Seite.
In dieser Kammer hat das Licht jedoch keinen direkten Weg durch die Kammer und kann daher den Sensor nicht erreichen
. Der Kammer werden zusätzliche Kunststoffteile hinzugefügt, damit selbst reflektiertes
Licht den Sensor nicht erreichen kann. Wenn jedoch Rauch vorhanden ist,
lenken die Rauchpartikel das Licht der LED ab und verteilen es im Rauch,
sodass der Sensor einen Bruchteil des Lichts erkennen kann, der den Rauchmelder auslöst. Jedes Rauchmelderdesign hat eine Reihe
von Vor- und Nachteilen . Wir
werden sie hier nicht behandeln, aber wenn Sie möchten, können Sie die Wikipedia-Artikel lesen.
Zwei schnelle Dinge: Erstens retten Rauchmelder Leben. Tauschen Sie die Batterien einmal
im Jahr aus und prüfen Sie, ob sie funktionieren. Obwohl ein Typ radioaktiv ist, ist
es absolut sicher, ihn zu Hause zu haben, aber wie bei vielen anderen Dingen ist er nicht sicher zum Essen.
Zweitens haben wir in unserer Erklärung die Schaltung der Ionisationskammer des Rauchmelders vereinfacht
. In Wirklichkeit ist der obere Metallzylinder auch eine Ionisationskammer, und die Schaltung
misst die Spannung der mittleren Scheibe und vergleicht die Ionisierungsaktivität in der oberen Kammer mit der
Referenz-Ionisierungsaktivität in der unteren Kammer, um zu erkennen, wann Rauch vorhanden ist. Hier ist ein
Schema, das dies erklärt. Beachten Sie, dass bei einigen Designs die Spannungen zwischen den Kammern vertauscht sind.
Als nächstes werden wir über zwei Themen sprechen, die von Rauchmeldern über
die kontraintuitive Größe verschiedener Atome bis hin zur Funktionsweise von Geigerzählern reichen. Bleiben Sie also hier,
denn das sind wirklich interessante Themen. Aber lassen Sie uns zunächst über den Sponsor dieses Videos,
PCBWay, sprechen. Leiterplatten reichen von einfachen Leiterplatten wie dieser in einem Rauchmelder mit nur ein paar Dutzend
Löchern und Leiterbahnen bis hin zu unglaublich komplexen Leiterplatten wie in GPUs mit Hunderten von Komponenten,
mehreren Schichten, Tausenden von Leiterbahnen im Inneren und Ball-Grid-Arrays mit Tausenden
Verbindungspunkten. PCBWay kann schnell jede Leiterplatte von der einfachen bis zur komplexen Leiterplatte zu
wettbewerbsfähigen Preisen und tadellosen Standards herstellen. Darüber hinaus bietet PCBWay auch Dienstleistungen
wie Leiterplattenbestückung, CNC-Bearbeitung und 3D-Druck sowie die Herstellung flexibler Leiterplatten an, wie
sie beispielsweise in drahtlosen Ohrhörern zu finden sind. Bei PCBWay können Sie Standardplatinen für nur 5 Dollar
und komplexe Leiterplatten ab 78 Dollar kaufen. Anschließend kümmert sich ein leitender Ingenieur darum, die
Perfektion des fertigen Produkts sicherzustellen. Darüber hinaus können Sie Platinen für nur 30
Dollar zusammenbauen lassen und arbeiten direkt mit den Ingenieuren von PCBWay zusammen, die während des gesamten Montageprozesses Bilder senden können
. Schauen Sie sich über den Link in der Beschreibung unten die Website von PCBWay an.
Okay, lassen Sie uns kurz über zwei Zweige sprechen, die sich auf Rauchmelder, Atomgröße
und Geigerzähler beziehen. Wie Sie vielleicht wissen, sind Atome unglaublich klein, aber glauben Sie, dass mit
zunehmender Ordnungszahl auch die Größe des Atoms zunimmt? Lass uns das Prüfen. Hier ist
Natrium mit 11 Protonen und hier ist Americium mit 95 Protonen. Wenn wir die
Atomradien anhand empirischer Messungen betrachten, ist Natrium tatsächlich größer als Americium. Dies ist eher
kontraintuitiv, da man annehmen würde, dass die Größe des Atoms entsprechend zunimmt, wenn wir mehr Protonen, Neutronen und Elektronen hinzufügen
. Warum ist Natrium also größer als Americium? Nun,
es hat damit zu tun, dass sich positive und negative Ladungen mit enormer
Kraft anziehen. Wenn beispielsweise 1 Gramm reine Protonen 100 Meter von 1 Gramm reinen Elektronen entfernt platziert würden, würden sich
die positiven und negativen Ladungen gegenseitig mit einer
Kraft von 1500 Billionen Tonnen anziehen, was der Kraft von 440 Milliarden Saturn-V-Raketen entspricht -
eher unvorstellbar, oder? Eine ähnliche Kraft tritt in einem
Atom auf. In Americium gibt es 95 Protonen, und sie halten diese 95 Elektronen so fest,
dass der Radius eines Americiumatoms nur geringfügig kleiner ist als die Größe von Natrium.
Hier ist eine 3D-Darstellung des Periodensystems. Die Höhe jedes Elements zeigt,
wie groß jedes Atom ist. Der Größensprung im Atomradius beispielsweise von
Argon zu Kalium ist ein Ergebnis der Zunahme der Anzahl und Konfiguration der Elektronenschalen,
während die Zunahme des Radius in jeder Spalte darauf zurückzuführen ist, dass die inneren Schalen der Elektronen die
äußeren Schalen abstoßen. Und die Verringerung des Radius von links nach rechts ist auf die Anziehungskraft
zwischen den Protonen im Kern und den Elektronen in den Schalen zurückzuführen. Ein interessanter Hinweis
ist, dass Americium-241 etwas kleiner als Natrium ist, aber fast die elffache
Anzahl an Protonen und Neutronen aufweist. Aus diesem Grund hat Americium die 14-fache Dichte von
Natrium. Dieser Dichtetrend gilt auch für viele andere Elemente. Tatsächlich handelt es sich hier um Osmium.
Es hat einen relativ kleinen Atomradius und ist das dichteste aller natürlich vorkommenden Elemente.
Zum Abschluss dieser Episode gehen wir noch kurz auf die Geigerzähler ein. Kurz gesagt, die
Grundprinzipien von Geigerzählern ähneln denen von Rauchmeldern. In dieser Röhre haben wir eine
Ionisationskammer. Strahlung dringt durch dieses Fenster aus Glimmer ein und schlägt Elektronen aus dem Gas,
typischerweise Argon. Wir legen eine positive Spannung an einen zentralen Stab und dann eine negative Spannung an den
umgebenden Zylinder an. Dadurch wandert das ionisierte Argon in Richtung der negativ geladenen Wand,
während die Elektronen in Richtung des zentralen Stabs wandern. Die verwendete Spannung ist mit etwa
500 bis 1000 Volt viel höher und diese höhere Spannung erzeugt eine Ionisationslawine, die zum
Nachweis von Betateilchen erforderlich ist, da sie nicht annähernd so viel Ionisierungspotential wie Alphateilchen haben.
Dann messen wir den Strom, und wenn es eine Stromspitze gibt, bedeutet das, dass einige radioaktive
Partikel in das Fenster eingedrungen sind und etwas Gas in der Kammer ionisiert haben. Es gibt viele andere
Designelemente bei Geigerzählern, aber da das Grundprinzip dem von Rauchmeldern ähnelt
, hielten wir es für interessant, sie zu erwähnen. Das ist so ziemlich alles für Rauchmelder,
Atomgrößen und Geigerzähler. Wir glauben, dass die Zukunft einen starken Schwerpunkt auf der Ingenieurausbildung erfordern wird,
und sind allen unseren Patreon- und YouTube-
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