Che cos'è un microcalorimetro?
Un microcalorimetro è un dispositivo termico sensibile utilizzato per misurare l'energia di singole particelle o fotoni, particelle elementari di luce. È un tipo di calorimetro - uno strumento che misura il calore rilasciato da reazioni fisiche o chimiche in un campione. I microcalorimetri sono utilizzati in astrofisica per misurare l'energia dei fotoni a raggi X dallo spazio. Un dispositivo correlato, il microcalorimetro isotermico, viene utilizzato in biochimica e campi correlati per rilevare piccoli cambiamenti di energia a basse temperature.
La legge di conservazione dell'energia, una legge di base della fisica, afferma che l'energia non può essere creata o distrutta, ma può essere convertita solo in altre forme. I microcalorimetri funzionano in base a questo principio. L'energia di un'interazione fisica o di una reazione chimica viene trasformata in calore all'interno del sistema e, misurando il cambiamento di calore che ne risulta, è possibile dedurre l'energia dell'interazione.
Il tipo di microcalorimetro utilizzato in astrofisica è costituito da tre componenti principali: un assorbitore, un dissipatore di calore e un termistore. Quando un fotone di raggi X colpisce l'assorbitore, l'energia viene trasferita a un elettrone in un atomo del materiale dell'assorbitore. Questa energia fa eccitare l'elettrone: salta ulteriormente dal nucleo atomico e si libera dall'orbita. Altri elettroni nell'assorbitore possono eccitarsi in misura minore da questo elettrone libero, aumentando a orbite di energia più alte attorno ai rispettivi atomi.
Gli elettroni eccitati rilasciano energia quando ritornano al loro stato fondamentale, o allo stato di energia più basso - un'orbita stabile attorno agli atomi. L'energia rilasciata in questo processo viene conservata e convertita in calore, causando un aumento della temperatura nell'assorbitore di una piccola quantità. Un dispositivo termometro nell'assorbitore noto come termistore rileva questo cambiamento di temperatura. Il calore quindi fluisce nel dissipatore di calore, facendo ritornare l'assorbitore alla sua temperatura originale. Misurando la variazione di temperatura causata dall'impatto della radiografia, è possibile calcolare l'energia originale della radiografia.
Il microcalorimetro isotermico funziona più o meno allo stesso modo, sebbene sia usato per misurare le interazioni chimiche piuttosto che l'energia dei fotoni. Questo dispositivo è costituito da un dissipatore di calore e un recipiente di reazione chiuso in cui avviene la reazione chimica. Il dissipatore di calore assicura che il recipiente di reazione sia mantenuto a una temperatura costante, consentendo misurazioni esatte. Quando si verifica la reazione chimica, una certa quantità di energia viene rilasciata sotto forma di calore o assorbita, causando un cambiamento di temperatura che viene registrato dal microcalorimetro. I microcalorimetri isotermici hanno applicazioni in chimica fisica, biochimica e industria farmaceutica perché forniscono un modo altamente sensibile per analizzare il flusso di calore in una reazione.
I microcalorimetri devono funzionare a basse temperature in modo da poter registrare le minime variazioni di calore che misurano. Ad esempio, i dispositivi utilizzati in astrofisica vengono mantenuti vicino allo zero assoluto. A questa temperatura, è possibile rilevare anche i piccoli cambiamenti nell'energia termica causati dall'impatto di un singolo fotone. I microcalorimetri isotermici non sono così estremi, ma sono ancora mantenuti a temperature molto più basse rispetto ai calorimetri a macro-scala.