Sve češće se u državnim ustanovama, bankama i lokalina na plafonima vide mali uređaji koji predstavljaju detektore dima. Njihov zadatak je da uključe automatski sistem vodenih prskalica koje treba da ugase potencijalni požar. Malo ljudi zna da je glavni deo tog prostog uređaja radioaktivni elemenat americijum-241. Kakve veze ima radioaktivnost sa detekcijom dima?
Zanimljivo pitanje a odgovor je još zanimljiviji. Pogotovu što je americijum prilično egzotičan materijal. Kao i svi hemijski elementi sa atomskom težinom preko 92, americijum (Am) spada u veštačke elemente, dobijene u atomskim reaktorima. Do danas je ispitano 19 radioizotopa, a prvi je izdvojen baš “naš” izotop 241Am, i to u reaktoru u Čikagu prilikom radova na atomskoj bombi 1944. godine. On je najrasprostranjeniji americijumov izotop u nuklearnom otpadu, a zbog dugačkon vremena poluraspada (~432,6 godina) predstavlja potencijalno gorivo za kosmičke radioizotopske termoelektrične generatore (RTG). Pošto se 241Am razgrađuje putem emisije alfa čestica (subatomske čestice koje sadrže 2 protona i 2 neutrona) male prodorne snage, za ljude je opasan jedino ako se udiše ili pojede. Nakon raspada americijuma-241 nastaje neptunijum-237.
Ovo je bio kratki intro, a sad da vidimo kako rade detektori dima. Pošto ih ima različitih vrsta, da podsetim da govorimo o jonizujućem tipu. On otkriva dim zahvaljujući činjenici da ovaj negativno utiče na sposobnost vazduha da provodi sićušnu količinu električne struje.
Pod normalnim uslovima, vazduh uopšte ne provodi električnu struju, te kažemo da je odličan izolator[1]. Takav je zahvaljujući tome što su molekuli azota i kiseonika u vazduhu bez ikakvog sopstvenog električnog naboja, niti poseduju ijedan slobodan elektron koji bi mogao da prenese naelektrisanje sa jednog mesta na dugo, kao što to rade metali. Da nije tako, elektricitet iz visokonaponskih dalekovoda razapetih pokadkad iznad naših glava preskočio bi kroz vazduh na svom putu ka zemlji, prolazeći kroz bilo šta – uključujući i nas – na svom putu.
Molekuli vazduha – azota, kiseonika, i ponešto drugih – ne poseduju nikakav ukupni električni naboj jer atomi koji ih sačinjavaju sadrže jednak broj pozitivnogih i negativnih jedinica naelektrisanja koji se uzejamno poničtavaju. Pozitivni naboj se nalazi u atomskom jezgru a negativni u vidu elektrona koji se okreću (ili bolje reći, vibriraju?) oko jezgra. Međutim, radioaktivnost može da učini vazduh elektroprovodivim na taj način što izbacuje neke elektrone iz njegovih molekula, ostavljajući ih sa ponekim neponištenim pozitivnim nabojima. Takvi naelektrisani molekuli, sa manjkom elektrona, nazivaju se joni, a mi kažemo da radioaktivnost jonizuje vazduh. Pošto jonizovani vazduh sadrži naelektrisane molekule, onda je u stanju da provodi elektricitet.
Na koji način radioaktivnost jonizuje vazduh?
Jezgra radioaktivnih elemenata su nestabilna te se spontano raspadaju, ispaljujući povremeno neke od čestica od kojih su sačinjena brzinom koja je često bliska brzini svetlosti. Jezgro americijuma-241 se opredelilo da izbacuje alfa čestice[2] kadre da načine veliku štetu nekom atomu kada ga pogode, te su vrlo zgodne za jonizovanje molekula vazduha.
Vrlo mala količina americijuma-241 je spakovana unutar detektora dima a alfa čestice neprestano održava meli region vazduha oko njega u jonizovanom stanju. Električna baterija od samo 9 volti obezbeđuje malu struju koja protiče kroz takav vazduh. Međutim, kada se izvestan broj čestica dima pomeša sa vazduhom, joni iz vazduha se sudaraju sa njima i neutrališu se (gube svoju naelektrisanost). Manje naelektrisanosti u vazduhu znači da kroz njega može da protekne manje struje. Električno kolo uređaja detektuje taj pad napona i uključuje alarm.
Količina radioaktivnog 241Am u tipičnom detektoru dima izuzetno je mala: obično je to devet desetina mikrokirija[3], što odgovara količini od četvrtine mikrograma[4]. Iako tih četvrt mikrograma emituje preko 30.000 čestica svake sekunde, ne treba se brinuti, jer su alfa čestice toliko male prodornosti da ih može zaustaviti i običan list papira. To znači da van kutije detektora dima praktično nema alfa čestica.
Kontejner sa americijumom u jonizujućem detektoru dima. Na udaljenosti od jednog metra od prosečnog kućnog detektora godišnja doza zračenja je 100 puta manja od prirodnog pozadinskog zračenja.
 |
 |
Presek jednog tipičnog detektora dima (gore) i princip rada.
Alfa čestice prolaze između dve naelektrisane metalne pločice, uzrokujući jonizovanje čestica vazduha
(deleći se na pozitivne i negativne jone). Joni se spajaju sa suprotno naelektrisanim metalnim pločicama, izazivajući strujni tok.
Kada čestice dima uđu između pločica, neke od alfa čestica bivaju apsorbovane, dovodeći do manje jonizacije. To znači da se smanjuje napon struje a to opet izaziva uključivanje alarma.
Kad god jedan atom americijuma-241 (ili bilo kog drugog radioaktivnog materijala) počne da se raspada, to više nije ista vrsta atoma niti više ima ista radioaktivna svojstva. Kako vreme protiče, broj preostalih radioaktivnih atoma opada pa stoga i količina zračenja koju emituju. U konkretnom slučaju 241Am, broj atoma opada za polovinu svakih 433 godine (zato kažemo da je vreme poluraspada 433 godine.) Znači da će narednih 433 godine od danas tvoj dimni alarm – ako ga imaš – emitovati oko 15.000 alfa čestica svake sekunde. Ali nemoj ni posle toga da ga bacaš u đubre, jer će i sledećih 433 godine raditi prilično dobro i pouzdano iako će emitovati samo 5.500 alfa čestica u sekundi. Moj ti je savet da ga tek posle narednih 433 godine zameniš, jer će nakon 3.300 godina rada električna struja biti preslaba a alarm bi mogao da se uključuje i bez dima. Svi koji smo imali prilike da ga čujemo da je dovoljno snažan da probudi čak i mrtve.
Ne razumem se baš u zakone, ali sam prilično siguran da ako ikada užemo u EU bićemo obavezni da se pridržavamo i evropskog standarda EN 54 za požarne sisteme i detekciju vatre.
[1] Vazduh je 50.000.000.000 puta lošiji provodnik od, recimo, drveta, a čak 1022 puta lošiji od bakra ili zlata.
[2] Pošto su identične sa jezgrom helijuma, često se pišu kao ili . Pri standardnom alfa radioaktivnom raspadu imaju kinetičku energiju od 5 MeV a brzinu svega 5% brzine svetlosti, te im je prodornost relativno mala. Oko 10-12% kosmičkih zrakova čine helijumova jezgra ali ona obično nose znatno veću energiju od onih nastalih u procesima raspada jezgara, te su prodornija i mnogo opasnija za ljude.
[3]Kiri (Ci) je jedinica za radioaktivnost, a mikrokiri je milion puta manja jedinica. 1 μCi = 3,7 × 104 raspada u sekundi = 2.22 × 106 raspada u minuutu. Ljudsko telo sadrži oko 0,1 μCi prirodnog natrijuma-40. Pošto u telu ima oko 14 kg ugljenika, to znači da imamo i oko 24 nanograma, odn. 0,1 μCi ugljenika-14. Ukupno, unutar ljudskog tela imamo aktivnost od oko 2 × 0,1 μCi, ili 7.400 raspada (uglavnom beta raspada, ređe gama raspada).
[4] To znači da se od jednog grama americijuma mogu napraviti skoro četiri miliona detektora dima. Jedan gram košta $1500.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
