Wat is een microcalorimeter?

Een microcalorimeter is een gevoelig thermisch apparaat dat wordt gebruikt om de energie van enkele deeltjes of fotonen, elementaire lichtdeeltjes te meten.Het is een soort calorimeter mdash;Een instrument dat de warmte meet die wordt afgegeven door fysische of chemische reacties in een monster.Microcalorimeters worden in astrofysica gebruikt om de energie van röntgenfotonen uit de ruimte te meten.Een gerelateerd apparaat, de isotherme microcalorimeter, wordt gebruikt in biochemie en gerelateerde velden om kleine energieveranderingen bij lage temperaturen te detecteren.

De wet van het behoud van energie, een basiswet van de fysica, stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd mdash;Het kan alleen worden omgezet in andere vormen.Microcalorimeters werken op basis van dit principe.Energie van een fysieke interactie of chemische reactie wordt getransformeerd tot warmte in het systeem en door de verandering in warmte te meten die resulteert, kan de energie van de interactie worden afgeleid.

Het type microcalorimeter dat in astrofysica wordt gebruikt, bestaat uit drie hoofdcomponenten:Een absorber, een koellichaam en een thermistor.Wanneer een röntgenfoton de absorber slaat, wordt energie overgebracht naar een elektron in een atoom van het absorbermateriaal.Deze energie zorgt ervoor dat het elektron opgewonden wordt mdash;Het springt verder van de atomaire kern en breekt vrij van een baan.Een stabiele baan rond de atomen.De in dit proces vrijgegeven energie wordt geconserveerd en omgezet in warmte, waardoor de temperatuur in de absorber met een kleine hoeveelheid stijgt.Een thermometerapparaat in de absorber die bekend staat 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 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 deze wordt gebruikt om chemische interacties te meten in plaats van foton 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 afgegeven als warmte of geabsorbeerd, waardoor een temperatuurverandering wordt veroorzaakt die wordt geregistreerd door de microcalorimeter.Isothermische microcalorimeters hebben toepassingen in fysische chemie, biochemie en de farmaceutische industrie omdat ze een zeer gevoelige manier bieden om warmtestroom in een reactie te analyseren.

Microcalorimeters moeten bij lage temperaturen werken, zodat de minuut verandert in warmte die ze meet kan registreren.De apparaten die in de astrofysica worden gebruikt, worden bijvoorbeeld gehouden op bijna absolute nul.Bij deze temperatuur kan zelfs de kleine verandering in thermische energie veroorzaakt door de impact van een enkel foton worden gedetecteerd.Isothermische microcalorimeters zijn niet zo extreem, maar worden nog steeds gehandhaafd bij veel lagere temperaturen dan macro-schaal calorimeters.