Что такое микрокалориметр?

Микрокалориметр - это чувствительное тепловое устройство, используемое для измерения энергии отдельных частиц или фотонов, элементарных частиц света. Это тип калориметра - прибор, который измеряет тепло, выделяемое физическими или химическими реакциями в образце. Микрокалориметры используются в астрофизике для измерения энергии рентгеновских фотонов из космоса. Соответствующее устройство, изотермический микрокалориметр, используется в биохимии и смежных областях для обнаружения крошечных изменений энергии при низких температурах.

Закон сохранения энергии, основной закон физики, утверждает, что энергия не может быть создана или разрушена - она ​​может быть преобразована только в другие формы. Микрокалориметры работают на основе этого принципа. Энергия от физического взаимодействия или химической реакции преобразуется в тепло внутри системы, и путем измерения изменения тепла, которое в результате получается, энергия взаимодействия может быть выведена.

Тип микрокалориметра, используемый в астрофизике, состоит из трех основных компонентов: поглотителя, радиатора и термистора. Когда рентгеновский фотон попадает на поглотитель, энергия передается электрону в атоме материала поглотителя. Эта энергия заставляет электрон возбуждаться - он прыгает дальше от атомного ядра и освобождается от орбиты. Другие электроны в поглотителе могут в меньшей степени возбуждаться этим свободным электроном, поднимаясь на более высокие энергетические орбиты вокруг своих соответствующих атомов.

Возбужденные электроны высвобождают энергию, когда они возвращаются в свое основное состояние или в состояние с самой низкой энергией - стабильную орбиту вокруг атомов. Энергия, выделяемая в этом процессе, сохраняется и преобразуется в тепло, что приводит к незначительному повышению температуры в поглотителе. Устройство термометра в абсорбере, известное как термистор, обнаруживает это изменение температуры. Затем тепло попадает в радиатор, в результате чего поглотитель возвращается к своей первоначальной температуре. Измеряя изменение температуры, вызванное воздействием рентгеновского излучения, можно рассчитать исходную энергию рентгеновского излучения.

Изотермический микрокалориметр работает почти так же, хотя он используется для измерения химических взаимодействий, а не энергии фотонов. Это устройство состоит из радиатора и закрытого реакционного сосуда, в котором происходит химическая реакция. Радиатор обеспечивает постоянную температуру реакционного сосуда, что позволяет проводить точные измерения. Когда происходит химическая реакция, определенное количество энергии либо выделяется в виде тепла, либо поглощается, вызывая изменение температуры, которое регистрируется микрокалориметром. Изотермические микрокалориметры имеют применение в физической химии, биохимии и фармацевтической промышленности, поскольку они обеспечивают высокочувствительный способ анализа теплового потока в реакции.

Микрокалориметры должны работать при низких температурах, чтобы можно было регистрировать незначительные изменения тепла, которые они измеряют. Например, устройства, используемые в астрофизике, поддерживаются на уровне, близком к абсолютному нулю. При этой температуре может быть обнаружено даже небольшое изменение тепловой энергии, вызванное воздействием одиночного фотона. Изотермические микрокалориметры не столь экстремальны, но все еще поддерживаются при гораздо более низких температурах, чем калориметры в макромасштабе.