マイクロ熱量計とは

マイクロ熱量計は、単一粒子または光子、光の素粒子のエネルギーを測定するために使用される高感度の熱デバイスです。 これは熱量計の一種です。サンプルの物理的または化学的反応によって放出される熱を測定​​する機器です。 マイクロ熱量計は、宇宙からのX線光子のエネルギーを測定するために天体物理学で使用されます。 関連デバイスである等温マイクロ熱量計は、生化学および関連分野で使用され、低温での小さなエネルギー変化を検出します。

物理学の基本法則であるエネルギー保存の法則は、エネルギーを作成したり破壊したりすることはできず、他の形にしか変換できないと述べています。 マイクロ熱量計はこの原理に基づいて機能します。 物理的相互作用または化学反応からのエネルギーは、システム内部の熱に変換され、結果として生じる熱の変化を測定することにより、相互作用のエネルギーを推定できます。

天体物理学で使用されるマイクロ熱量計のタイプは、吸収体、ヒートシンク、サーミスタという3つの主要なコンポーネントで構成されています。 X線光子が吸収体に衝突すると、吸収体材料の原子内の電子にエネルギーが移動します。 このエネルギーにより、電子は励起されます。原子核からさらに飛び出し、軌道から自由になります。 吸収体内の他の電子は、このゆるい電子によってあまり励起されず、それぞれの原子の周りのより高いエネルギー軌道に上昇する可能性があります。

励起された電子は、基底状態または最低エネルギー状態（原子の周りの安定した軌道）に戻るとエネルギーを放出します。 このプロセスで放出されるエネルギーは保存されて熱に変換され、吸収体の温度がわずかに上昇します。 サーミスタとして知られる吸収体の温度計デバイスは、この温度変化を検出します。 熱はヒートシンクに流れ込み、吸収体を元の温度に戻します。 X線の衝撃による温度変化を測定することにより、X線の元のエネルギーを計算できます。

等温マイクロ熱量計はほぼ同じように機能しますが、光子エネルギーではなく化学的相互作用の測定に使用されます。 この装置は、ヒートシンクと、化学反応が起こる密閉された反応容器で構成されています。 ヒートシンクにより、反応容器が一定温度に保たれ、正確な測定が可能になります。 化学反応が発生すると、一定量のエネルギーが熱として放出されるか吸収され、マイクロカロリメーターによって記録される温度の変化を引き起こします。 等温マイクロカロリメーターは、物理化学、生化学、および製薬業界での用途があります。反応中の熱流を分析する非常に高感度な方法を提供するためです。

マイクロ熱量計は、測定する熱のわずかな変化を記録できるように、低温で動作する必要があります。 たとえば、天体物理学で使用されるデバイスは、ほぼゼロに維持されます。 この温度では、単一の光子の衝撃による熱エネルギーのわずかな変化でさえ検出できます。 等温マイクロ熱量計はそれほど極端ではありませんが、マクロスケール熱量計よりもはるかに低い温度で維持されます。