Vad är en mikrokalorimeter?
En mikrokalorimeter är en känslig termisk anordning som används för att mäta energin för enstaka partiklar eller fotoner, elementära partiklar av ljus. Det är en typ av kalorimeter - ett instrument som mäter värmen som frigörs av fysiska eller kemiska reaktioner i ett prov. Mikrokalorimetrar används i astrofysik för att mäta energin för 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 fysiklag, säger att energi inte kan skapas eller förstöras - den kan endast konverteras till andra former. Mikrokalorimetrar fungerar baserat på denna princip. Energi från en fysisk interaktion eller kemisk reaktion transformeras till värme inuti systemet, och genom att mäta förändringen i värme som resulterar kan energin i interaktionen dras.
Den typ av mikrokalorimeter som används i astrofysik består av tre MAI:n komponenter: en absorberare, en kylfläns och en termistor. När en röntgenfoton slår absorbenten överförs energi till en elektron i en atom av absorbermaterialet. Denna energi får elektronen att bli upphetsad - den hoppar längre från atomkärnan och bryter loss från bana. Andra elektroner i absorbenten kan bli upphetsade i mindre grad av denna lösa elektron och stiger till högre energibanor runt deras respektive atomer.
Den upphetsade elektronerna släpper energi när de återvänder till sitt marktillstånd, eller lägsta energitillstånd - en stabil bana runt atomerna. Energin som frigörs i denna process bevaras och omvandlas till värme, vilket får temperaturen i absorbenten att stiga med en liten mängd. En termometeranordning i absorbenten som kallas en termistor upptäcker denna temperaturförändring. Värmen rinner sedan in i kylflänsen, vilket får absorbenten att återvända tilldess ursprungliga temperatur. Genom att mäta temperaturförändringen orsakad av påverkan av röntgen kan den ursprungliga energin i röntgenen 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 stängt reaktionsfartyg där den kemiska reaktionen äger rum. Kylflänsen säkerställer att reaktionsfartyget hålls vid en konstant temperatur, vilket möjliggör exakta mätningar. När den kemiska reaktionen inträffar frisätts en viss mängd energi som värme eller absorberas, vilket orsakar en temperaturförändring som registreras av mikrokalorimetern. Isotermiska mikrokalorimetrar har tillämpningar inom fysisk kemi, biokemi och läkemedelsindustrin eftersom de ger ett mycket känsligt sätt att analysera värmeflödet i en reaktion.
mikrokalorimetrar måste arbeta vid låga temperaturer så att minuten förändras i värmeDe mäter kan registrera sig. Till exempel upprätthålls enheterna som används i astrofysik vid nära absolut noll. Vid denna temperatur kan till och med den lilla förändringen i termisk energi orsakad av påverkan av en enda foton upptäckas. Isotermiska mikrokalorimetrar är inte lika extrema, men upprätthålls fortfarande vid mycket lägre temperaturer än makroskaliga kalorimetrar.