Was ist ein Mikrokalorimeter?
Ein Mikrokalorimeter ist ein empfindliches thermisches Gerät, mit dem die Energie einzelner Teilchen oder Photonen, Elementarteilchen des Lichts, gemessen wird. Es ist eine Art Kalorimeter - ein Instrument, das die Wärme misst, die durch physikalische oder chemische Reaktionen in einer Probe freigesetzt wird. Mikrokalorimeter werden in der Astrophysik verwendet, um die Energie von Röntgenphotonen aus dem Weltraum zu messen. Ein verwandtes Gerät, das isotherme Mikrokalorimeter, wird in der Biochemie und verwandten Gebieten eingesetzt, um winzige Energieänderungen bei niedrigen Temperaturen zu erfassen.
Das Energieerhaltungsgesetz, ein Grundgesetz der Physik, besagt, dass Energie nicht erzeugt oder zerstört werden kann - sie kann nur in andere Formen umgewandelt werden. Mikrokalorimeter arbeiten nach diesem Prinzip. Energie aus einer physikalischen Wechselwirkung oder chemischen Reaktion wird in Wärme innerhalb des Systems umgewandelt, und durch Messung der resultierenden Wärmeänderung kann die Energie der Wechselwirkung abgeleitet werden.
Der in der Astrophysik verwendete Mikrokalorimetertyp besteht aus drei Hauptkomponenten: einem Absorber, einem Kühlkörper und einem Thermistor. Wenn ein Röntgenphoton auf den Absorber trifft, wird Energie auf ein Elektron in einem Atom des Absorbermaterials übertragen. Durch diese Energie wird das Elektron angeregt - es springt weiter vom Atomkern weg und bricht aus der Umlaufbahn aus. Andere Elektronen im Absorber können durch dieses lose Elektron in geringerem Maße angeregt werden und zu Bahnen mit höherer Energie um ihre jeweiligen Atome aufsteigen.
Die angeregten Elektronen setzen Energie frei, wenn sie in ihren Grundzustand oder niedrigsten Energiezustand zurückkehren - eine stabile Umlaufbahn um die Atome. Die dabei freiwerdende Energie wird geschont und in Wärme umgewandelt, wodurch die Temperatur im Absorber geringfügig ansteigt. Eine Thermometervorrichtung im Absorber, die als Thermistor bekannt ist, erfasst diese Temperaturänderung. Die Wärme fließt dann in den Kühlkörper, wodurch der Absorber auf seine ursprüngliche Temperatur zurückkehrt. Durch Messung der Temperaturänderung, die durch den Einfluss des Röntgenstrahls verursacht wird, kann die ursprüngliche Energie des Röntgenstrahls berechnet werden.
Das isotherme Mikrokalorimeter funktioniert ähnlich, obwohl es eher zur Messung chemischer Wechselwirkungen als zur Messung der Photonenenergie verwendet wird. Diese Vorrichtung besteht aus einem Kühlkörper und einem geschlossenen Reaktionsgefäß, in dem die chemische Reaktion stattfindet. Der Kühlkörper stellt sicher, dass das Reaktionsgefäß auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, was genaue Messungen ermöglicht. Bei der chemischen Reaktion wird eine bestimmte Energiemenge entweder als Wärme freigesetzt oder absorbiert, was zu einer Temperaturänderung führt, die vom Mikrokalorimeter registriert wird. Isotherme Mikrokalorimeter finden Anwendung in der physikalischen Chemie, der Biochemie und der pharmazeutischen Industrie, da sie eine hochempfindliche Methode zur Analyse des Wärmeflusses in einer Reaktion darstellen.
Mikrokalorimeter müssen bei niedrigen Temperaturen betrieben werden, damit die winzigen Wärmeveränderungen, die sie messen, registriert werden können. Beispielsweise werden die in der Astrophysik verwendeten Geräte nahe am absoluten Nullpunkt gehalten. Bei dieser Temperatur kann sogar die kleine Änderung der thermischen Energie, die durch den Aufprall eines einzelnen Photons verursacht wird, erfasst werden. Isotherme Mikrokalorimeter sind nicht so extrem, werden aber immer noch bei viel niedrigeren Temperaturen als makroskalige Kalorimeter gehalten.