Co je mikrokalorimetr?

Mikrokalorimetr je citlivé tepelné zařízení používané k měření energie jednotlivých částic nebo fotonů, elementárních částic světla. Je to typ kalorimetru - přístroj, který měří teplo uvolňované fyzikálními nebo chemickými reakcemi ve vzorku. Mikrokalorimetry se používají v astrofyzice k měření energie rentgenových fotonů z vesmíru. Související zařízení, izotermický mikrokalorimetr, se používá v biochemii a příbuzných oborech k detekci malých energetických změn při nízkých teplotách.

Zákon zachování energie, základní zákon fyziky, uvádí, že energii nelze vytvořit ani zničit - lze ji přeměnit pouze na jiné formy. Mikrokalorimetry pracují na tomto principu. Energie z fyzické interakce nebo chemické reakce se přemění na teplo uvnitř systému a změřením změny tepla, která vede, lze odvodit energii interakce.

Typ mikrokalorimetru používaného v astrofyzice se skládá ze tří hlavních složek: absorbéru, chladiče a termistoru. Když rentgenový foton udeří do absorbéru, energie je přenesena na elektron v atomu materiálu absorbéru. Tato energie způsobuje vzrušení elektronu - skočí dále z atomového jádra a zlomí se bez oběžné dráhy. Ostatní elektrony v absorbéru se mohou tímto uvolněným elektronem v menší míře rozrušit a stoupat na oběžné dráhy vyšší energie kolem svých příslušných atomů.

Vzrušené elektrony uvolňují energii, když se vrátí do svého základního stavu, nebo do stavu s nejnižší energií - stabilní orbita kolem atomů. Energie uvolněná v tomto procesu je zachována a přeměněna na teplo, což způsobuje, že teplota v absorbéru stoupá o malé množství. Teploměrové zařízení v absorbéru známé jako termistor detekuje tuto změnu teploty. Teplo potom proudí do chladiče a způsobuje návrat absorbéru na původní teplotu. Měřením změny teploty způsobené dopadem rentgenového záření lze vypočítat původní energii rentgenového záření.

Izotermický mikrokalorimetr pracuje téměř stejným způsobem, i když se používá spíše k měření chemických interakcí než k fotonové energii. Toto zařízení sestává z chladiče a uzavřené reakční nádoby, ve které probíhá chemická reakce. Chladič zajišťuje, že reakční nádoba je udržována na konstantní teplotě, což umožňuje přesná měření. Když dojde k chemické reakci, určité množství energie je buď uvolněno jako teplo nebo absorbováno, což způsobuje změnu teploty, která je registrována mikrokalorimetrem. Izothermální mikrokalorimetry mají uplatnění ve fyzikální chemii, biochemii a farmaceutickém průmyslu, protože poskytují vysoce citlivý způsob analýzy toku tepla v reakci.

Mikrokalorimetry musí pracovat při nízkých teplotách, aby se mohly zaznamenat změny teploty v minutách, které měří. Například zařízení používaná v astrofyzice jsou udržována téměř na absolutní nule. Při této teplotě lze detekovat i malé změny tepelné energie způsobené dopadem jediného fotonu. Izotermické mikrokalorimetry nejsou tak extrémní, ale stále se udržují při mnohem nižších teplotách než kalorimetry v makro měřítku.