У вас наверняка есть несколько датчиков дыма по всему дому, но знаете ли вы, что некоторые модели датчиков дыма радиоактивные? В этом видео мы рассмотрим, как работают датчики дыма и как они используют радиоактивный изотоп амери́ций-241 для обнаружения дыма. Мы также изучим принцип работы счётчиков Гейгера, а затем разберёмся, почему атомы с большими атомными номерами неожиданно малы. Датчики дыма абсолютно безопасны и спасают жизни. Поэтому регулярно проверяйте их работоспособность.
Таймкоды
00:00 Введение
- Автор купил датчик дыма и заметил знак радиации на коробке.
- Видео исследует внутренности датчика дыма и объясняет, как радиоактивный распад используется для обнаружения дыма.
- Обсуждаются два связанных вопроса: работа счетчиков Гейгера и почему атомы с большими атомными номерами маленькие.
00:42 Компоненты датчика дыма
- Вскрывая датчик дыма, автор находит батарейку, пьезоэлектрический динамик и печатную плату с микрочипом.
- Внутри металлического цилиндра находится изотоп америция-241, который является радиоактивным.
01:54 Опасности и принцип работы
- Вскрытие ионизационного датчика дыма опасно, но внутри металлического цилиндра изотоп безопасен.
- Америций-241 испускает альфа-частицы, которые создают ионизирующее излучение.
- Альфа-частицы сталкиваются с атомами в атмосфере, создавая положительно заряженные ионы и электроны.
04:46 Ионизационная камера
- В ионизационной камере электроны притягиваются к положительно заряженной пластине, а ионы кислорода и азота к отрицательно заряженной.
- При отсутствии дыма ток минимален, но при наличии дыма ток падает, что запускает сирену.
07:17 Альфа-частицы и их свойства
- Альфа-частицы обладают высокой ионизирующей способностью, но останавливаются легко.
- Гамма-частицы и бета-частицы более опасны, так как могут проникать через более толстые объекты.
08:27 Получение америция-241
- Америций-241 получают на атомных электростанциях путем нейтронной активации плутония-239 и 240.
- Один грамм америция-241 может обеспечить десятки тысяч детекторов дыма.
10:55 Другие типы детекторов дыма
- Фотоэлектрические детекторы дыма используют светодиод и датчик для обнаружения дыма.
- Детекторы дыма спасают жизни, но требуют замены батареек и проверки работоспособности.
12:54 Заключение и спонсор
- Видео обсуждает неожиданные размеры атомов и работу счетчиков Гейгера.
- Спонсор видео — компания PCBWay, занимающаяся производством печатных плат.
13:48 Размеры атомов и счетчики Гейгера
- Атомы невероятно малы, но их размер не увеличивается с ростом атомного номера.
- Натрий с 11 протонами больше америция с 95 протонами.
- Положительные и отрицательные заряды притягиваются с огромной силой, что удерживает атомы в определенном размере.
15:32 Периодическая таблица и плотность атомов
- Скачок размера атома от аргона к калию связан с конфигурацией электронных оболочек.
- Увеличение радиуса вниз по столбцу происходит из-за отталкивания внутренних оболочек.
- Уменьшение радиуса атомов слева направо связано с притяжением протонов и электронов.
- Америций-241 меньше натрия, но плотнее из-за большего количества протонов и нейтронов.
16:29 Счетчики Гейгера
- Принцип работы счетчиков Гейгера схож с дымовыми датчиками.
- Радиация ионизирует газ в трубке, вызывая лавинную ионизацию.
- Высокое напряжение используется для регистрации бета-частиц.
- Всплеск тока указывает на прохождение радиации через окошко.
17:05 Заключение и благодарности
- Счетчики Гейгера работают по тому же принципу, что и дымовые датчики.
- Будущее потребует особого внимания к инженерному образованию.
- Благодарность спонсорам и зрителям за поддержку.
- Призыв поддержать создание 3D-анимаций и других видео на канале.
Ссылка на Таймкоды в Нейросети YandexGPT https://300.ya.ru/v_0N9fmq7D
В этом видео
Введение в дымовые детекторы
0:00
Недавно я купил датчик дыма и заметил
0:03
маленький знак радиации на коробке что
0:05
заставило меня задуматься почему же
0:08
датчики дыма радиоактивные Итак в этом
0:11
видео мы исследуем внутренности этого
0:13
датчика дыма посмотрим как он работает и
0:16
поймём как радиоактивный распад
0:19
используется для обнаружения дыма
0:21
оставайтесь с нами до конца где мы также
0:24
обсудим два связанных вопроса как
0:26
работают счётчики Гейгера и почему с
0:30
большими атомными номерами неожиданно
0:33
маленькие это видео спонсируется
0:35
компанией
0:37
pcbway подробнее о них позже а сейчас
0:40
давайте сразу перейдём к делу когда мы
Компоненты внутри дымового детектора
0:43
вскрываем датчик дыма мы находим
0:45
несколько компонентов вот здесь у нас
0:47
расположена батарейка которая конечно же
0:50
почти всегда разряжена и Требует замены
0:53
вот здесь у нас пьезоэлектрический
0:56
динамик который производит как сигнал
0:58
тревоги так и этот писк Давайте Признаем
1:01
этот писк является одним из самых
1:04
раздражающих звуков в мире дальше у нас
1:07
печатная плата с монтажными отверстиями
1:09
на которой размещено всего несколько
1:11
базовых компонентов и она спроектирована
1:14
так чтобы быть максимально дешёвой на
1:17
печатной плате находится основной
1:19
микрочип и наконец здесь у нас находится
1:22
сердце датчика дыма металлический
1:24
Цилиндр с вентиляционными отверстиями со
1:26
всех сторон позволяющими воздуху и дыму
1:29
проходить через него внутри этого купола
1:32
находится короткий Цилиндр с
1:34
металлическим диском сверху и снизу
1:37
которые разделены и удерживаются
1:39
пластиком в центре нижнего диска
1:42
находится маленькая полость содержащая
1:45
300 нанограмм изотопа америций 241
1:49
который является радиоактивным из-за
1:51
чего и требуется этот знак на упаковке
1:54
Прежде чем продолжить Давайте уточним
1:56
вскрывать ионизационный датчик дыма
2:02
не сдует этого делать Даже под
2:04
присмотром взрослых как мы уже упомянули
2:07
америций радиоактивен но внутри
2:09
металлического цилиндра он абсолютно
2:12
Безопасен Однако снаружи он крайне
2:15
опасен особенно при вдыхании или
2:18
проглатывании мы разобрались с этим
2:20
детектором дыма вместо вас и готовы всё
2:25
рассказать
Как радиоактивный изотоп обнаруживает дым?
2:28
УВО большое количество радиоактивного
2:31
ариция 241 испускает альфа-частицы эти
2:36
частицы представляют собой
2:39
высокоэнергетические невероятно быстрые
2:41
ядра Гелия с двумя протонами двумя
2:44
нейтронами и без электронов то есть
2:47
положительно заряженные ионы насколько
2:49
же они быстрые они вылетают из ядра
2:53
америци со скоростью около 15.000 км в
2:57
секун что составляет примерно 5 про от
3:00
скорости света или в 2.000 раз быстрее
3:03
МКС или в
3:05
419 000 раз быстрее гепарда именно эта
3:09
невероятная кинетическая энергия делает
3:11
радиацию опасной кстати другими типами
3:15
радиоактивного распада являются бета и
3:17
гамма распад которые представляют собой
3:20
соответственно невероятно быстрые
3:22
электроны и высокоэнергетические фотоны
3:26
Однако в ионизационный детектора дыма
3:28
америци
3:30
241 в основном генерируют
3:33
альфа-частицы когда эти положительно
3:35
заряженные ядра Гелия вылетают с
3:38
безумной скоростью альфа-частицы
3:41
сталкиваются с атомами в атмосфере и
3:44
выбивают их электроны создавая
3:47
положительно заряженные азот кислород
3:50
другие газы и тысячи свободных
3:53
электронов заметим что атом или молекула
3:56
потерявшие или получившие Электрон
3:59
становится заряженными и называются
4:01
ионами на самом деле одна альфа-частица
4:04
обладает достаточной энергией чтобы
4:07
создать около 10.000 положительно
4:09
заряженных ионов кислорода и азота и
4:12
десятки тысяч электронов этот процесс
4:15
называется ионизирующим
4:17
излучением один из моих профессоров
4:20
как-то сравнил Альфа частицу с быком в
4:22
магазине фарфора альфа-частицы
4:24
сталкиваются со всем подряд создавая
4:27
атомный хаос вот изображение камеры
4:31
вильсона с америци
4:33
241 в ней видны треки оставленные
4:36
отдельными
4:37
альфа-частицами между прочим тот кто
4:40
назвал эти радиоактивные детекторы дыма
4:42
ионизационные дымовыми извещателями
4:45
настоящий гений потому что давайте
4:48
Честно Никто бы никогда не купил
4:50
радиоактивный детектор дыма но мы
4:53
отвлеклись вне этого устройства эти
4:55
электроны и положительно заряженные
4:58
атмосферные ионы ито ре
5:04
комбинированые
5:11
ионизационного мы используем два
5:13
металлических диска и подаём от батареи
5:16
напряжение между верхним и нижним
5:18
дисками Так что верхний заряжен
5:21
положительно а Нижний отрицательно Как
5:24
вы знаете отрицательные и положительные
5:26
заряды притягиваются и в результате
5:29
тельно заряженные электроны
5:31
притягиваются к верхней положительно
5:33
заряженной металлической пластине а
5:35
положительные ионы кислорода и азота
5:38
стремительно притягиваются к нижнему
5:40
диску поток электронов — это
5:42
электрический ток и с помощью схемы в
5:45
этом чипе мы можем измерять ток притер
5:48
ней пластине что и происходит в
5:50
нормальных условиях при отсутствии дыма
5:53
в этом дымово детекторе находится Альфа
5:56
источник с америци он излучает примерно
6:00
37.000 Альфа частиц в секунду это
6:03
излучение выбивает сотни миллионов
6:06
электронов из атомов Однако создаваемый
6:08
ими ток составляет всего около 50 Пика
6:12
ампер Что является довольно малой
6:14
величиной это задаёт базовый уровень
6:17
тока возникающего в результате
6:19
ионизирующего излучения ариция
6:23
24401 Однако когда Дым попадает через
6:26
эти отверстия в цилиндр условия ино
6:29
меняются дым содержит множество
6:32
компонентов угарный газ углекислый газ
6:35
крупные частицы сажи и более сложные
6:38
углеродные структуры не сгоревшие
6:40
вещества летучие соединения И множество
6:44
других составляющих таким образом когда
6:46
Дым от огня тлеющих материалов или
6:49
подгоревшего попкорна оказывается в
6:51
ионизационного
6:59
движению электронов к верхней пластине а
7:02
положительных ионов к нижней отсутствие
7:05
движения электронов к верхней пластине
7:07
означает отсутствие тока и это падение
7:10
тока измеряется микросхемой внизу
7:13
которая в свою очередь запускает сирену
7:19
оповещают альфа-частицы применяются в
7:22
этом устройстве потому что среди трёх
Какие бывают виды радиации?
7:24
видов излучения Альфа Бета и гамма
7:28
Именно они
7:30
самой высокой ионизирующей способностью
7:33
другими словами при полном отсутствии
7:35
дыма Именно они производят наибольшее
7:38
количество ионов и создают постоянный
7:41
стабильный ток в
7:44
ионизационного с достаточно огромной
7:48
энергией Однако они останавливаются чем
7:51
угодно Это происходит потому что они
7:53
являются ядрами Гелия намного крупнее
7:56
бета-частиц или гамма-излучения
7:59
всего несколько сантиметров воздуха
8:01
тонкий кусок пластика или пара слоёв
8:04
клеток кожи остановят альфа-частицы
8:06
Однако гамма частицы или фотоны гораздо
8:10
опаснее поскольку они способны проникать
8:12
намного дальше и сквозь более толстые
8:15
объекты только плотные металлы вроде
8:18
свинца или слои бетона могут их
8:20
остановить а бета частицы могут
8:22
проникать через кожу Однако тонкий лист
8:25
алюминия спокойно их остановит Итак
8:28
Давайте ответим на возможных вопроса
8:30
Почему америций 241 радиоактивен как его
8:34
получают и наконец Существует ли другие
8:38
типы дымовых детекторов что ж америций
8:41
241 находится внизу периодической
Почему америций радиоактивен?
8:44
таблицы в его ядре 95 протонов и 146
8:49
нейтронов А в электронных оболочках 95
8:52
электронов Как вы наверное знаете
8:55
одинаковые заряды отталкиваются в данном
8:58
случае у на 95 положительных зарядов и
9:01
множество нейтронов которые все склеены
9:04
вместе ядерной силой Однако сила
9:07
отталкивания этих 95 протонов и их
9:10
соотношение с нейтронами делают ядро
9:13
нестабильным и в результате появляется
9:16
вероятность отторжения двух нейтронов и
9:19
двух протонов Что приводит к образованию
9:21
нептуния
9:23
237 в этом датчике содержится 300 награ
9:26
америци Это составляет примерно 50
9:30
триллионов атомов в течение
9:34
4322 лет это количество распадётся на
9:38
375 триллионов атомов америци 241 и 375
9:43
триллионов атомов нептуния
9:47
237 кстати нептуний 237 тоже
9:50
радиоактивен и испускает альфа-частицы
9:54
Но из-за более стабильного соотношения
9:56
протонов и нейтронов его период
9:59
составляет 2,14 млн лет Теперь давайте
10:03
перейдём ко второму вопросу как получают
Как производится америций
10:06
америцы
10:07
241 Довольно интересно что его
10:10
производят на атомных электростанциях
10:13
путём нейтронной активации плутония
10:16
239 и 240 в плутоний 241 который затем
10:22
испускает бета частицы и распадается до
10:25
ариция
10:26
241 То есть все
10:29
тек дыма содержат материалы которые
10:32
получены из ядерного реактора Кстати
10:35
этот америций находится в форме оксида
10:38
америци И сверху покрыт тонким слоем
10:41
золота в целях безопасности каждый
10:43
детектор дыма содержит настолько Малое
10:46
количество ариция что одного грамма
10:49
полученного с атомной электростанции
10:51
хватит на десятки детекторов дыма и
10:56
наконец Есть ли другой способ
10:58
обнаружения ответ да другой наиболее
Другие типы дымовых детекторов
11:02
распространенный способ обнаружения дыма
11:04
использует фотоэлектрический датчик Но
11:07
помимо этих двух методов Существует
11:09
множество других способов в
11:11
фотоэлектрических детектора дыма с одной
11:14
стороны камеры установлен светодиод а с
11:16
другой стороны датчик Однако в этой
11:19
камере свет не имеет прямого пути к
11:21
датчику и поэтому не может его достичь а
11:24
дополнительные пластиковые элементы
11:27
добавлены в камеру так чтобы даже
11:29
отраженный свет не мог попасть на датчик
11:32
Однако когда появляется дым его частицы
11:35
отклоняют свет от светодиода
11:49
рассеиваясь Но при желании можете
11:52
прочитать статьи в Википедии два быстрых
11:55
замечания первое детекторы дыма спасают
11:58
жизни меняйте батарейки раз в год
Заметки о дымовых детекторах
12:00
проверяйте их работоспособность и Хотя
12:03
один тип радиоактивный он абсолютно
12:06
Безопасен для использование в вашем доме
12:08
но как и со многими вещами его нельзя
12:11
употреблять в пищу второе в нашем
12:14
объяснение мы упростили схему
12:26
ионизационного диска и сравнивает
12:36
ионизационного вот схема объясняющая это
12:39
И заметьте что в некоторых конструкциях
12:42
напряжения в камерах могут быть
12:44
противоположными а далее мы поговорим о
12:47
двух темах связанных с детекторами дыма
12:49
о неожиданных размерах атомов и о работе
12:52
счётчиков Гейгера Так что оставайтесь с
12:55
нами Потому что эти темы действительно
12:58
интересные а сейчас Давайте поговорим о
13:00
спонсори этого видео
13:03
pcbway печатные платы бывают как простые
13:06
например вот это внутри детектора дыма
13:08
всего с несколькими десятками отверстий
13:11
и дорожек так и невероятно сложные как
13:14
те что находятся внутри видеокарты с
13:16
сотнями компонентов множество слоёв
13:19
тысячи дорожек проходящих внутри и
13:21
массивы шариковых выводов с тысячами
13:23
точек подключения pcbway может всё это
13:26
воплотить для вас кроме того Вы можете
13:29
заказать сборку плат всего за 30
13:32
долларов и будете напрямую работать с
13:35
инженерами компании pcb которые пришлют
13:38
фотографии всех этапов сборки вся
13:41
информация о спонсори pcbway и все
13:44
ссылки вы найдёте под оригинальным видео
13:48
Хорошо давайте быстро и очень кратко
Неочевидные размеры атомов
13:51
поговорим о двух темах связанных с
13:53
детекторами дыма это размеры атомов и
13:56
счётчики Гейгера Как вы уже э атомы
13:59
невероятно малы но как вы думаете
14:02
увеличивается ли размер атома с ростом
14:05
атомного номера сейчас узнаете вот
14:08
натрий с 11 протонами А вот америций с
14:12
95
14:14
протонами если мы посмотрим на атомные
14:16
радиусы основанные на эмпирических
14:19
измерениях натрий на самом деле больше
14:22
америци Это довольно неожиданно ведь
14:25
логично предположить что при добавлении
14:27
протонов нейтронов и электронов размер
14:30
атома будет соответственно увеличиваться
14:33
Так почему же натрий больше
14:36
ариция Всё дело в том что положительные
14:39
и отрицательные заряды притягиваются
14:42
друг к другу с огромной силой Например
14:45
если поместить 1 г чистых протонов на
14:49
расстоянии 100 м от 1 грамма чистых
14:52
электронов положительные и отрицательные
14:55
заряды будут притягиваться друг к другу
14:58
с силой 1500 трино тонн это эквивалентно
15:02
силе 440 млр космических ракет Сатурн
15:07
5 Это довольно Сложно представить но это
15:10
так похожая сила действует и в атоме в
15:13
америци 95 протонов и они так сильно
15:17
удерживают эти 95 электронов что радиус
15:21
атома ариция лишь немного меньше размера
15:24
атома натрия вот представление
15:26
периодической табли
15:29
каждого элемента показывает размер его
15:32
атома скачок размера атомного радиуса
15:35
например от аргона к калию возникает
15:37
из-за увеличения количества и
15:39
конфигурации электронных оболочек В то
15:42
время как увеличение радиуса вниз по
15:44
каждому столбцу происходит из-за того
15:46
что внутренние оболочки электронов
15:49
отталкивают внешние а уменьшение радиуса
15:52
атомов слева направо происходит изза
15:55
силы притяжения между протонами в ядре и
15:59
в оболочка Интересно отметить что атома
16:02
мерия 241 чуть меньше атома натрия но
16:06
при этом содержит почти в 11 раз больше
16:09
протонов и нейтронов и из-за этого
16:12
америций в 14 раз плотнее натрия такая
16:16
тенденция в плотности характерна и для
16:18
многих других элементов возьмём к
16:21
примеру осмий при его Малом атомном
16:24
радиусе он является самым плотным среди
16:27
всех природных элементов
Как работают счетчики Гейгера?
16:29
в завершении Давайте коротко поговорим о
16:32
счётчиках Гейгера если вкратце принцип
16:35
работы счётчиков Гейгера схож с дымовыми
16:38
датчиками рассмотрим трубку с
16:49
ионизационного к центральному стержню
16:53
подаётся положительное напряжение а к
16:56
окружающему цилиндру отрицательное
16:59
в результате ионизированный Аргон
17:01
движется к отрицательно заряженной
17:04
стенке а электроны к центральному
17:06
стержню используется гораздо более
17:09
Высокое напряжение от 500 до 1000 В
17:13
такое напряжение вызывает Лавин ную
17:15
ионизацию Что нужно для регистрации
17:18
бета-частиц Ведь они
17:21
ионизирующем слабее Альфа частиц после
17:24
этого измеряется ток и Когда возникает
17:27
всплеск тока это значит что частицы
17:30
радиации прошли через окошко и
17:32
ионизировать газ в камере в конструкции
17:36
счётчиков Гейгера много других важных
17:38
элементов Мы решили упомянуть о них так
17:41
как они работают по тому же принципу что
17:43
и дымовые датчики на этом мы завершаем
17:46
рассказ о дымовых датчиках размерах
17:48
атомов и счётчиках Гейгера мы считаем
17:51
что будущее потребует особого внимания к
17:54
инженерному образованию и мы благодарны
17:57
Всем нашим спонсорам с и YouTube
17:59
членства за поддержку этой мечты Если вы
18:02
хотите поддержать branch education вы
18:05
найдете ссылки в описании к
18:06
оригинальному видео это branch education
18:09
мы создаём 3D анимации которые глубоко
18:13
погружаются в технологии движущие нашим
18:15
современным миром Посмотрите другое
18:18
видео от бранч на канале железного биса
18:21
Спасибо что досмотрели До конца
