Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Il plasma

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Indice 1 Definizione e nascita del termine 2 Caratteristiche fondamentali 3 La materia allo stato di plasma 4 Note

[modifica] 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 del plasma reagiscono sia collettivamente che individualmente a una perturbazione esterna, come, ad esempio, un campo elettrico.

Il termine "plasma" fu introdotto da Langmuir^[1] in un articolo relativo allo studio delle scariche elettriche ad arco nei gas rarefatti. Il risultato era che una qualsiasi sostanza, portata a una determinata temperatura, (in ogni caso elevatissima), passava ad uno stato fino ad allora sconosciuto, grazie alla scissione degli atomi in seguito agli urti che avvenivano fra molecole e atomi oltre che con gli ioni e con elettroni già presenti. Infatti, quando gli elettroni oscillano, gli ioni positivi si comportano come una gelatina rigida, e probabilmente videro un’analogia con il comportamento delle componenti del sangue, in cui corpuscoli oscillano nel plasma del sangue.

Questo processo viene chiamato "ionizzazione termica". In altre parole, affinché una sostanza si ionizzi, occorre che l'energia cinetica relativa delle particelle che si urtano deve essere superiore all'energia di legame dell'elettrone più labile nell'atomo o nella molecola; ovviamente ad atomi di sostanze diverse corrispondono valori differenti di queste energie di legame. Ad esempio, per ottenere un plasma di cesio a pressione atmosferica, è necessario elevarne la temperatura fino a circa 3000 C°, mentre per l' elio, la cui energia di ionizzazione è circa 10 volte più grande, bisogna raggiungere temperature dell'ordine di 20000 C°.

[modifica] 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.

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 trovi 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 assume importanza, i processi collisionali coulombiani sono più difficili da trattare.

In figura è riportato lo svilupparsi di una traiettoria 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.

[modifica] 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.

[modifica] Note