Hvad er et mikrokalorimeter?
Et mikrokalorimeter er en følsom termisk enhed, der bruges til at måle energien fra enkeltpartikler eller fotoner, elementære lyspartikler. Det er en type kalorimeter - et instrument, der måler den varme, der frigøres ved fysiske eller kemiske reaktioner i en prøve. Mikrokalorimetre bruges i astrofysik til at måle energien fra røntgenfotoner fra rummet. En beslægtet enhed, den isotermiske mikrokalorimeter, bruges i biokemi og relaterede felter til at detektere små energiforandringer ved lave temperaturer.
Loven om bevarelse af energi, en grundlæggende fysisk lov, siger, at energi ikke kan skabes eller ødelægges - den kan kun omdannes til andre former. Mikrokalometre fungerer ud fra dette princip. Energi fra en fysisk interaktion eller kemisk reaktion omdannes til varme inde i systemet, og ved at måle den ændring i varme, der resulterer, kan energi fra interaktionen trækkes fra.
Den type mikrokalorimeter, der bruges i astrofysik, består af tre hovedkomponenter: en absorber, et kølelegeme og en termistor. Når en røntgenfoton rammer absorberen, overføres energi til en elektron i et atom i absorberingsmaterialet. Denne energi får elektronet til at blive ophidset - det hopper længere fra atomkernen og bryder fri for bane. Andre elektroner i absorberen kan i mindre grad blive ophidset af denne løse elektron, stigende til baner med højere energi omkring deres respektive atomer.
De ophidsede elektroner frigiver energi, når de vender tilbage til deres jordtilstand, eller den laveste energitilstand - en stabil bane omkring atomerne. Den energi, der frigøres i denne proces, bevares og omdannes til varme, hvilket får temperaturen i absorberen til at stige med en lille mængde. En termometeranordning i absorberen, der kaldes en termistor, registrerer denne temperaturændring. Varmen strømmer derefter ind i kølepladen, hvilket får absorberen til at vende tilbage til sin oprindelige temperatur. Ved at måle temperaturændringen forårsaget af påvirkningen af røntgenstrålen, kan røntgenstrålens originale energi beregnes.
Det isotermiske mikrokalorimeter fungerer på meget samme måde, skønt det bruges til at måle kemiske interaktioner snarere end fotonenergi. Denne enhed består af et kølelegeme og en lukket reaktionsbeholder, hvori den kemiske reaktion finder sted. Kølepladen sikrer, at reaktionsbeholderen holdes ved en konstant temperatur, hvilket muliggør nøjagtige målinger. Når den kemiske reaktion finder sted, frigives en vis mængde energi enten som varme eller absorberes, hvilket forårsager en ændring i temperaturen, der er registreret af mikrokalorimeteret. Isotermiske mikrokalorimetre har anvendelser inden for fysisk kemi, biokemi og farmaceutisk industri, fordi de giver en meget følsom måde at analysere varmestrømmen i en reaktion.
Mikrokalorimetre skal arbejde ved lave temperaturer, så de minutændringer i varmen, de måler, kan registrere. For eksempel opretholdes de enheder, der anvendes i astrofysik, tæt på absolut nul. Ved denne temperatur kan også den lille ændring i termisk energi, der er forårsaget af påvirkningen af en enkelt foton, detekteres. Isotermiske mikrokalorimeter er ikke så ekstreme, men opretholdes stadig ved meget lavere temperaturer end makroskala kalorimetre.