Qu'est-ce qu'un microcalorimètre?
Un microcalorimètre est un dispositif thermique sensible utilisé pour mesurer l'énergie des particules uniques ou des photons, des particules élémentaires de lumière. Il s'agit d'un type de calorimètre - un instrument qui mesure la chaleur libérée par les réactions physiques ou chimiques dans un échantillon. Les microcalorimètres sont utilisés en astrophysique pour mesurer l'énergie des photons aux rayons X de l'espace. Un dispositif connexe, le microcalorimètre isotherme, est utilisé en biochimie et en champs connexes pour détecter de minuscules changements d'énergie à basse température.
La loi de conservation de l'énergie, une loi fondamentale de la physique, déclare que l'énergie ne peut être créée ou détruite - elle ne peut être convertie que dans d'autres formes. Les microcalorimètres fonctionnent en fonction de ce principe. L'énergie d'une interaction physique ou d'une réaction chimique est transformée en chaleur à l'intérieur du système, et en mesurant le changement de chaleur qui en résulte, l'énergie de l'interaction peut être déduite.
Le type de microcalorimètre utilisé en astrophysique se compose de trois MaiN composants: un absorbeur, un dissipateur de chaleur et une thermistance. Lorsqu'un photon à rayons X frappe l'absorbeur, l'énergie est transférée sur un électron dans un atome du matériau d'absorbeur. Cette énergie fait exciter l'électron - elle saute plus loin du noyau atomique et se libére de l'orbite. D'autres électrons dans l'absorbeur peuvent s'exciter à des degrés moindres par cet électron lâche, atteignant des orbites énergétiques plus élevées autour de leurs atomes respectifs.
Les électrons excités libèrent de l'énergie lorsqu'ils retournent à leur état fondamental ou à l'état d'énergie le plus bas - une orbite stable autour des atomes. L'énergie libérée dans ce processus est conservée et convertie en chaleur, faisant augmenter la température de l'absorbeur d'une petite quantité. Un dispositif de thermomètre dans l'absorbeur connu sous le nom de thermistance détecte ce changement de température. La chaleur s'écoule alors dans le dissipateur de chaleur, ce qui fait revenir l'absorbeursa température d'origine. En mesurant le changement de température causé par l'impact de la radiographie, l'énergie d'origine de la radiographie peut être calculée.
Le microcalorimètre isotherme fonctionne de la même manière, bien qu'il soit utilisé pour mesurer les interactions chimiques plutôt que l'énergie des photons. Cet appareil se compose d'un dissipateur de chaleur et d'un récipient de réaction fermé dans lequel la réaction chimique a lieu. Le dissipateur de chaleur garantit que le récipient de réaction est maintenu à une température constante, permettant des mesures exactes. Lorsque la réaction chimique se produit, une certaine quantité d'énergie est libérée sous forme de chaleur ou absorbée, provoquant un changement de température enregistré par le microcalorimètre. Les microcalorimètres isothermes ont des applications en chimie physique, biochimie et industrie pharmaceutique car ils fournissent un moyen très sensible d'analyser le flux de chaleur dans une réaction.
Les microcalorimètres doivent fonctionner à basse température afin que la minute change de chaleur quiIls mesurent peuvent s'inscrire. Par exemple, les dispositifs utilisés en astrophysique sont maintenus à près de zéro absolu. À cette température, même le petit changement d'énergie thermique causé par l'impact d'un seul photon peut être détecté. Les microcalorimètres isothermes ne sont pas aussi extrêmes, mais sont toujours maintenus à des températures beaucoup plus basses que les calorimètres macro-échelles.