Kas ir mikrokalorimetrs?

Enerģijas nezūdamības likums, fizikas pamatlikums, nosaka, ka enerģiju nevar radīt vai iznīcināt – to var tikai pārvērst citās formās. Mikrokalorimetri darbojas, pamatojoties uz šo principu. Fizikālās mijiedarbības vai ķīmiskās reakcijas enerģija tiek pārveidota par siltumu sistēmas iekšienē, un, mērot siltuma izmaiņas, kas rodas, var secināt mijiedarbības enerģiju.

Astrofizikā izmantotais mikrokalorimetra veids sastāv no trim galvenajām sastāvdaļām: absorbētāja, siltuma izlietnes un termistora. Kad rentgenstaru fotons ietriecas absorbētājā, enerģija tiek pārnesta uz elektronu absorbējošā materiāla atomā. Šī enerģija liek elektronam uzbudināties — tas lec tālāk no atoma kodola un izkļūst no orbītas. Citus absorbētājā esošos elektronus šis brīvais elektrons var ierosināt mazākā mērā, paceļoties uz augstākas enerģijas orbītām ap attiecīgajiem atomiem.

Uzbudinātie elektroni atbrīvo enerģiju, kad tie atgriežas savā pamata stāvoklī vai zemākajā enerģijas stāvoklī – stabilā orbītā ap atomiem. Šajā procesā atbrīvotā enerģija tiek saglabāta un pārvērsta siltumā, izraisot temperatūras pieaugumu absorbētājā par nelielu daudzumu. Termometra ierīce absorbētājā, kas pazīstama kā termistors, nosaka šīs temperatūras izmaiņas. Pēc tam siltums ieplūst siltuma izlietnē, liekot absorbētājam atgriezties sākotnējā temperatūrā. Mērot rentgenstaru ietekmes izraisītās temperatūras izmaiņas, var aprēķināt rentgenstaru sākotnējo enerģiju.

Izotermiskais mikrokalorimetrs darbojas aptuveni tādā pašā veidā, lai gan to izmanto ķīmiskās mijiedarbības, nevis fotonu enerģijas mērīšanai. Šī ierīce sastāv no siltuma izlietnes un slēgta reakcijas trauka, kurā notiek ķīmiskā reakcija. Siltuma izlietne nodrošina, ka reakcijas traukā tiek uzturēta nemainīga temperatūra, ļaujot veikt precīzus mērījumus. Kad notiek ķīmiskā reakcija, noteikts enerģijas daudzums tiek izdalīts kā siltums vai absorbēts, izraisot temperatūras izmaiņas, ko reģistrē mikrokalorimetrs. Izotermiskie mikrokalorimetri ir pielietojami fizikālajā ķīmijā, bioķīmijā un farmācijas rūpniecībā, jo tie nodrošina ļoti jutīgu veidu, kā analizēt siltuma plūsmu reakcijā.

Mikrokalorimetriem jādarbojas zemā temperatūrā, lai varētu reģistrēt to mērītās minūtes siltuma izmaiņas. Piemēram, astrofizikā izmantotās ierīces tiek uzturētas tuvu absolūtai nullei. Šajā temperatūrā var konstatēt pat nelielas siltumenerģijas izmaiņas, ko izraisa viena fotona ietekme. Izotermiskie mikrokalorimetri nav tik ekstrēmi, bet joprojām tiek uzturēti daudz zemākā temperatūrā nekā makro skalas kalorimetri.