Vad är en mikrokalorimeter?
En mikrokalorimeter är en känslig termisk anordning som används för att mäta energin hos enstaka partiklar eller fotoner, elementära partiklar av ljus.Det är en typ av kalorimeter mdash;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 mdash;Det 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 härledas.
Den typ av mikrokalorimeter som används i astrofysik består av tre huvudkomponenter: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 mdash;Den hoppar längre från atomkärnan och bryter fri från bana.Andra elektroner i absorbenten kan bli upphetsade i mindre grad av denna lösa elektron, stiger till högre energibanor runt sina respektive atomer.
Den upphetsade elektronerna släpper energi när de återvänder till sitt marktillstånd eller lägsta energitillstånd mdash;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 absorbenten som kallas en termistor upptäcker denna temperaturförändring.Värmen rinner sedan in i kylflänsen, vilket får absorbenten att återgå till sin ursprungliga temperatur.Genom att mäta temperaturförändringen orsakad av påverkan av röntgen kan den ursprungliga energin i röntgenstrålen 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 fungera vid låga temperaturer så att minutförändringarna i värme som de 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 detekteras.Isotermiska mikrokalorimetrar är inte lika extrema, men upprätthålls fortfarande vid mycket lägre temperaturer än makroskaliga kalorimetrar.