Co to jest mikrokalorymetr?
Mikrokalorymetr jest czułym urządzeniem termicznym stosowanym do pomiaru energii pojedynczych cząstek lub fotonów, elementarnych cząstek światła. Jest to rodzaj kalorymetru - przyrząd, który mierzy ciepło uwalniane w wyniku reakcji fizycznych lub chemicznych w próbce. Mikrokalorymetry są używane w astrofizyce do pomiaru energii fotonów rentgenowskich z kosmosu. Powiązane urządzenie, mikrokalorymetr izotermiczny, jest wykorzystywane w biochemii i dziedzinach pokrewnych do wykrywania drobnych zmian energii w niskich temperaturach.
Prawo zachowania energii, podstawowe prawo fizyki, stwierdza, że energii nie można wytworzyć ani zniszczyć - można ją jedynie przekształcić w inne formy. Mikrokalorymetry działają w oparciu o tę zasadę. Energia z interakcji fizycznej lub reakcji chemicznej jest przekształcana w ciepło w systemie, a poprzez pomiar zmiany ciepła, która się z tym wiąże, można wydedukować energię interakcji.
Rodzaj mikrokalorymetru stosowanego w astrofizyce składa się z trzech głównych elementów: absorbera, radiatora i termistora. Kiedy foton promieniowania rentgenowskiego uderza w absorber, energia jest przenoszona na elektron w atomie materiału absorbera. Energia ta powoduje wzbudzenie elektronu - skacze dalej od jądra atomowego i uwalnia się z orbity. Inne elektrony w absorberze mogą być wzbudzane w mniejszym stopniu przez ten luźny elektron, wznosząc się na orbity wyższych energii wokół swoich odpowiednich atomów.
Podekscytowane elektrony uwalniają energię, gdy powracają do stanu podstawowego lub najniższego stanu energetycznego - stabilnej orbity wokół atomów. Energia uwalniana w tym procesie jest zachowywana i przekształcana w ciepło, powodując niewielki wzrost temperatury w absorberze. Termometr w absorberze znany jako termistor wykrywa tę zmianę temperatury. Następnie ciepło przepływa do radiatora, powodując powrót absorbera do pierwotnej temperatury. Mierząc zmianę temperatury spowodowaną uderzeniem promieniowania rentgenowskiego, można obliczyć pierwotną energię promieniowania rentgenowskiego.
Mikrokalorymetr izotermiczny działa w podobny sposób, chociaż służy raczej do pomiaru interakcji chemicznych niż energii fotonu. To urządzenie składa się z radiatora i zamkniętego naczynia reakcyjnego, w którym zachodzi reakcja chemiczna. Radiator zapewnia, że naczynie reakcyjne jest utrzymywane w stałej temperaturze, umożliwiając dokładne pomiary. Kiedy zachodzi reakcja chemiczna, pewna ilość energii jest uwalniana w postaci ciepła lub absorbowana, powodując zmianę temperatury zarejestrowaną przez mikrokalorymetr. Mikrokalorymetry izotermiczne znajdują zastosowanie w chemii fizycznej, biochemii i przemyśle farmaceutycznym, ponieważ zapewniają bardzo czuły sposób analizy przepływu ciepła w reakcji.
Mikrokalorymetry muszą działać w niskich temperaturach, aby można było zarejestrować drobne zmiany ciepła, które mierzą. Na przykład urządzenia stosowane w astrofizyce są utrzymywane na poziomie zbliżonym do zera absolutnego. W tej temperaturze można wykryć nawet niewielką zmianę energii cieplnej spowodowaną uderzeniem pojedynczego fotonu. Mikrokalorymetry izotermiczne nie są tak ekstremalne, ale nadal są utrzymywane w znacznie niższych temperaturach niż kalorymetry w skali makro.