Vad är en mikrokalorimeter?
En mikrokalorimeter är en känslig termisk anordning som används för att mäta energin hos enstaka partiklar eller fotoner, elementära ljuspartiklar. Det är en typ av kalorimeter - ett instrument som mäter värmen som frigörs genom fysiska eller kemiska reaktioner i ett prov. Mikrokalorimetrar används i astrofysik för att mäta energin från röntgenfotoner från rymden. En relaterad anordning, den isotermiska mikrokalorimetern, används i biokemi och relaterade fält för att upptäcka små energiförändringar vid låga temperaturer.
Lagen om bevarande av energi, en grundläggande fysikalisk lag, säger att energi inte kan skapas eller förstöras - den kan bara omvandlas till andra former. Mikrokalorimetrar arbetar utifrån denna princip. Energi från en fysisk interaktion eller kemisk reaktion omvandlas till värme inuti systemet, och genom att mäta den förändring i värme som resulterar kan energi från interaktionen härledas.
Den typ av mikrokalorimeter som används i astrofysik består av tre huvudkomponenter: en absorbator, en kylfläns och en termistor. När en röntgenfoton träffar absorbenten överförs energi till en elektron i en atom i absorbermaterialet. Denna energi får elektronen att bli upphetsad - den hoppar längre från atomkärnan och bryter fri från omloppsbana. Andra elektroner i absorbatorn kan bli mindre upphetsade av denna lösa elektron och öka till banor med högre energi runt deras respektive atomer.
De upphetsade elektronerna släpper energi när de återvänder till sitt grundläge, eller lägsta energitillstånd - en stabil bana runt atomerna. Energin som frigörs i denna process bevaras och omvandlas till värme, vilket gör att temperaturen i absorbenten stiger med en liten mängd. En termometeranordning i absorbatorn känd som en termistor upptäcker denna temperaturförändring. Värmen flödar sedan in i kylflänsen, vilket får absorbenten att återgå till sin ursprungliga temperatur. Genom att mäta temperaturförändringen orsakad av påverkan av röntgenstrålen kan röntgenens ursprungliga energi beräknas.
Den isotermiska mikrokalorimetern fungerar på ungefär samma sätt, även om den används för att mäta kemiska interaktioner snarare än fotonenergi. Denna enhet består av en kylfläns och ett slutet reaktionskärl där den kemiska reaktionen äger rum. Kylflänsen säkerställer att reaktionskärlet hålls vid en konstant temperatur, vilket möjliggör exakta mätningar. När den kemiska reaktionen inträffar frigörs en viss mängd energi antingen som värme eller absorberas, vilket orsakar en temperaturförändring som registreras av mikrokalorimetern. Isotermiska mikrokalorimetrar har tillämpningar inom fysisk kemi, biokemi och läkemedelsindustrin eftersom de tillhandahåller ett mycket känsligt sätt att analysera värmeflödet i en reaktion.
Mikrokalorimetrar måste arbeta vid låga temperaturer så att minutförändringar i värme som de mäter kan registreras. Exempelvis upprätthålls de apparater som används i astrofysik på nära noll. Vid denna temperatur kan till och med den lilla förändringen i termisk energi som orsakas av påverkan av en enda foton detekteras. Isotermiska mikrokalorimetrar är inte lika extrema, men bibehålls fortfarande vid mycket lägre temperaturer än makroskala kalorimetrar.