Un microcalorimetru este un dispozitiv termic sensibil folosit pentru a măsura energia particulelor individuale sau fotonilor, particule elementare de lumină. Este un tip de calorimetru – un instrument care măsoară căldura eliberată de reacțiile fizice sau chimice dintr-o probă. Microcalorimetrele sunt folosite în astrofizică pentru a măsura energia fotonilor de raze X din spațiu. Un dispozitiv înrudit, microcalorimetrul izoterm, este utilizat în biochimie și în domeniile conexe pentru a detecta modificări minuscule de energie la temperaturi scăzute.
Legea conservării energiei, o lege de bază a fizicii, afirmă că energia nu poate fi creată sau distrusă – poate fi doar convertită în alte forme. Microcalorimetrele funcționează pe baza acestui principiu. Energia dintr-o interacțiune fizică sau reacție chimică este transformată în căldură în interiorul sistemului, iar prin măsurarea schimbării de căldură care rezultă, se poate deduce energia interacțiunii.
Tipul de microcalorimetru utilizat în astrofizică constă din trei componente principale: un absorbant, un radiator și un termistor. Când un foton cu raze X lovește absorbantul, energia este transferată unui electron dintr-un atom al materialului absorbant. Această energie face ca electronul să devină excitat – acesta sare mai departe de nucleul atomic și se eliberează de orbită. Alți electroni din absorbant pot deveni excitați în grade mai mici de acest electron liber, ridicându-se pe orbite de energie mai mare în jurul atomilor respectivi.
Electronii excitați eliberează energie atunci când revin la starea lor fundamentală sau la cea mai joasă stare de energie – o orbită stabilă în jurul atomilor. Energia eliberată în acest proces este conservată și transformată în căldură, determinând creșterea temperaturii din absorbant cu o cantitate mică. Un dispozitiv termometru din absorbant cunoscut sub numele de termistor detectează această schimbare de temperatură. Căldura curge apoi în radiatorul, ceea ce face ca absorbantul să revină la temperatura sa inițială. Măsurând modificarea temperaturii cauzată de impactul razelor X, se poate calcula energia inițială a razelor X.
Microcalorimetrul izotermic funcționează aproape în același mod, deși este folosit pentru a măsura interacțiunile chimice mai degrabă decât energia fotonului. Acest dispozitiv constă dintr-un radiator și un vas de reacție închis în care are loc reacția chimică. Radiatorul de căldură asigură menținerea vasului de reacție la o temperatură constantă, permițând măsurători exacte. Când are loc reacția chimică, o anumită cantitate de energie este fie eliberată sub formă de căldură, fie absorbită, provocând o modificare a temperaturii care este înregistrată de microcalorimetru. Microcalorimetrele izoterme au aplicații în chimia fizică, biochimie și industria farmaceutică, deoarece oferă o modalitate foarte sensibilă de a analiza fluxul de căldură într-o reacție.
Microcalorimetrele trebuie să funcționeze la temperaturi scăzute, astfel încât modificările minute ale căldurii pe care le măsoară să se poată înregistra. De exemplu, dispozitivele folosite în astrofizică sunt menținute aproape de zero absolut. La această temperatură, chiar și mica modificare a energiei termice cauzată de impactul unui singur foton poate fi detectată. Microcalorimetrele izoterme nu sunt la fel de extreme, dar sunt încă menținute la temperaturi mult mai scăzute decât calorimetrele la scară macro.