Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Il plasma

Definizione e nascita del termine

Assieme ai tre stati della materia ben noti sulla terra: solido, liquido, aeriforme, esiste un quarto stato: il plasma. Con il termine "plasma" si intende quello stato della materia caratterizzato dalla presenza di atomi o molecole che hanno subito un processo di parziale o totale ionizzazione. Il Plasma, quindi, è un gas rarefatto, in cui gli atomi sono ionizzati. Consiste di particelle neutre, di ioni positivi (atomi o molecole che hanno perso uno o più elettroni) e di elettroni liberi. A livello microscopico, le particelle cariche del plasma reagiscono a una perturbazione esterna, come, ad esempio, un campo elettrico o un campo magnetico. Se il plasma è rarefatto tale azione riguarda solo le particelle cariche, mentre se la sua densità è elevata, piccolo numero di Knudsen, l'azione esterna coinvolge collettivamente anche le particelle non cariche.

Il termine "plasma" fu introdotto da Langmuir in un articolo relativo allo studio delle scariche elettriche ad arco nei gas rarefatti. Il risultato era che una qualsiasi sostanza, portata a temperatura molto elevata rispetto a quella dell'ambiente, passava ad un nuovo stato della materia, a causa delle elevata energia che veniva scambiata negli urti. Questa miscela di cariche elettriche negative, positive e neutre a Langmuir ricordava il plasma del sangue che è un miscuglio di molti componenti.

Energia di prima ionizzazione (in elettronvolt) come funzione del numero atomico. Come si vede, essa è compresa fra 4.1 e 25 eV.

Il modo più comune di formare un plasma è la ionizzazione termica. In questo processo se un numero significativo delle particelle che si urtano ha una energia cinetica media superiore all'energia di legame dell'elettrone meno legato degli atomi presenti, si ha che un numero elevato di atomi vengono ionizzati. La temperatura di formazione di un plasma termico dipende dalla energia di prima ionizzazione degli atomi presenti nel gas. Ad esempio, per ottenere un plasma di cesio a pressione atmosferica, è necessario elevarne la temperatura fino a circa 3000 K, mentre per l' elio, la cui energia di ionizzazione è circa 6 volte più grande, bisogna raggiungere temperature dell'ordine di 20000 K. Va fatta una precisazione sui numeri dati, l'energia di legame degli elettroni più esterni negli atomi vanno da 4.1 eV (47500 K) per il Cs a 24 eV (278000 K) per l'He. Non è necessario avere energie cinetiche medie del gas così elevate (le temperature date tra parentesi) per avere un gas ionizzato. Infatti statisticamnete ad esempio nel caso del Cs per la distribuzione di Maxwell-Boltzmann a temperatura ad esempio di 3000 K un numero considerevole di atomi ha una energia cinetica superiore all'energia di legame di 4.1 eV, anche se tali atomi rappresentano la coda della distribuzione statistica, .

Caratteristiche fondamentali

La presenza di particelle cariche libere cambia drasticamente il comportamento della materia: intervengono le forze coulombiane a lungo raggio in aggiunta alle forze di interazione a corto raggio. A differenza dei gas, che sono tutti dei buoni isolanti, i plasmi a causa della presenza di cariche libere sono in genere dei buoni conduttori elettrici.

Tutti i fenomeni fondamentali della fisica del plasma sono da ricondursi al fatto che le particelle cariche presenti interagiscono tra loro attraverso forze coulombiane a lungo raggio e queste sono dominanti nella dinamica del sistema. Infatti, quando il sistema materiale sia sufficientemente grande perché siano molte le particelle interagenti a lungo raggio, la materia tende ad una configurazione di equilibrio di quasi-neutralità sviluppando un comportamento collettivo che sovrasta l’agitazione termica e il moto browniano. Così le particelle ”sentono” il campo elettromagnetico medio e seguono moti mediamente ordinati.

Per comprendere meglio questi aspetti e giungere ad una definizione quantitativa, consideriamo il moto di una particella test carica in un plasma. La carica, quando non si trova nelle immediate vicinanze di altre cariche così da sentirne la diretta influenza coulombiana, si muove sotto l’azione del campo elettromagnetico medio regolare dovuto alla somma dell’effetto di tutte le altre cariche del sistema; è questa una delle principali differenze con il caso dei fluidi neutri, in cui le particelle si muovono inerzialmente tra un urto e quello successivo. Inoltre, quando la carica incontra a distanza ravvicinata un’altra carica, la collisione causerà una deflessione discontinua. Nel caso della materia neutra sono questi urti che determinano il comportamento continuo dei fluidi; anche per i plasmi questi urti vanno considerati, ma la loro trattazione risulta più complicata che nel caso dei fluidi neutri. Quando si ha a che fare con un plasma debolmente ionizzato in effetti le collisioni delle cariche avvengono soprattutto con particelle neutre e quindi si possono applicare i principi dei fluidi neutri. Quando invece la densità di cariche libere diventa elevata, i processi collisionali coulombiani sono più difficili da trattare.

La traiettoria di una particella del tipo precedentemente descritto, che, pur presentando deflessioni discontinue dovute alle collisioni a corto raggio, si sviluppa sotto l’azione della forza coulombiana media a lungo raggio: per elevata ionizzazione quest’ultimo effetto di carattere collettivo è dominante.

La materia allo stato di plasma

Quanto detto precedentemente sembra un qualcosa di assolutamente innaturale, ma in realtà il 99.9% della materia nell'universo si trova nello stato di plasma: ad esempio, è noto che la materia di cui sono costituite le stelle e le galassie sono plasmi termici, il gas interstellare ed i gas diffusi cosmici sono anch'essi dei plasmi.

Raramente sulla Terra la materia si presenta sotto forma di plasma; ciò accade ad esempio lungo il percorso dei fulmini, nei quali le molecole dell’aria sono ionizzate per il 20% circa, e in alcune zone delle fiamme. Nella maggior parte dell’universo, invece, la materia è ionizzata per effetto sia delle alte temperature, come nel Sole e nelle stelle, sia della radiazione, come avviene per i gas interstellari o per gli strati alti dell’atmosfera. Quest'ultima infatti diventa gradualmente ionizzata salendo in quota ad opera del flusso di radiazione X e UV del Sole: la ionosfera è un plasma a tutti gli effetti. Fu proprio la scoperta delle proprietà elettriche dell'alta atmosfera che permise di spiegare la trasmissione delle onde radio da una parte all'altra del mondo.

Note

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