Wat is een microcalorimeter?
Een microcalorimeter is een gevoelig thermisch apparaat dat wordt gebruikt om de energie van afzonderlijke deeltjes of fotonen, elementaire lichtdeeltjes, te meten. Het is een type calorimeter - een instrument dat de warmte meet die vrijkomt door fysische of chemische reacties in een monster. Microcalorimeters worden in de astrofysica gebruikt om de energie van röntgenfotonen uit de ruimte te meten. Een gerelateerd apparaat, de isotherme microcalorimeter, wordt in de biochemie en aanverwante velden gebruikt om kleine energieveranderingen bij lage temperaturen te detecteren.
De wet van behoud van energie, een fundamentele wet van de fysica, stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd - het kan alleen worden omgezet in andere vormen. Microcalorimeters werken op basis van dit principe. Energie uit een fysieke interactie of chemische reactie wordt omgezet in warmte in het systeem, en door het meten van de verandering in warmte die ontstaat, kan de energie van de interactie worden afgeleid.
Het type microcalorimeter dat in de astrofysica wordt gebruikt, bestaat uit drie hoofdcomponenten: een absorber, een koellichaam en een thermistor. Wanneer een röntgenfoton de absorber raakt, wordt energie overgedragen op een elektron in een atoom van het absorberende materiaal. Deze energie zorgt ervoor dat het elektron wordt opgewonden - het springt verder van de atoomkern en breekt baanloos. Andere elektronen in de absorber kunnen in mindere mate worden geëxciteerd door dit losse elektron, oplopend naar hogere energiebanen rond hun respectieve atomen.
De opgewekte elektronen geven energie af wanneer ze terugkeren naar hun grondtoestand, of laagste energietoestand - een stabiele baan rond de atomen. De energie die vrijkomt bij dit proces wordt bewaard en omgezet in warmte, waardoor de temperatuur in de absorber een kleine hoeveelheid stijgt. Een thermometer in de absorber, bekend als een thermistor, detecteert deze temperatuurverandering. De warmte stroomt vervolgens in het koellichaam, waardoor de absorber terugkeert naar zijn oorspronkelijke temperatuur. Door de temperatuurverandering te meten die wordt veroorzaakt door de impact van de röntgenfoto, kan de oorspronkelijke energie van de röntgenfoto worden berekend.
De isotherme microcalorimeter werkt op vrijwel dezelfde manier, hoewel het wordt gebruikt om chemische interacties te meten in plaats van fotonenergie. Dit apparaat bestaat uit een koellichaam en een gesloten reactievat waarin de chemische reactie plaatsvindt. Het koellichaam zorgt ervoor dat het reactievat op een constante temperatuur wordt gehouden, waardoor exacte metingen mogelijk zijn. Wanneer de chemische reactie optreedt, wordt een bepaalde hoeveelheid energie vrijgegeven als warmte of geabsorbeerd, waardoor een verandering in temperatuur wordt veroorzaakt die wordt geregistreerd door de microcalorimeter. Isotherme microcalorimeters hebben toepassingen in de fysische chemie, biochemie en de farmaceutische industrie omdat ze een zeer gevoelige manier bieden om de warmtestroom in een reactie te analyseren.
Microcalorimeters moeten bij lage temperaturen werken, zodat de kleine veranderingen in warmte die ze meten, kunnen worden geregistreerd. De apparaten die in de astrofysica worden gebruikt, worden bijvoorbeeld op bijna nul gehouden. Bij deze temperatuur kan zelfs de kleine verandering in thermische energie worden gedetecteerd die wordt veroorzaakt door de impact van een enkel foton. Isotherme microcalorimeters zijn niet zo extreem, maar worden nog steeds op veel lagere temperaturen gehouden dan calorimeters op macroschaal.