Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Il plasma/Frequenza di risonanza di un plasma

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Una caratteristica fondamentale del plasma è quella di essere un sistema con sue proprie frequenze di risonanza. Queste frequenze dipendono dalla densità, dalla carica e dalla massa delle particelle che lo costituiscono.

Il plasma, per molti aspetti, può essere visto come un sistema costituito da due fluidi: quello elettronico e quello ionico. Se la densità di questi fluidi viene in qualche modo perturbata essa tende a riportarsi alle condizioni d’equilibrio del sistema attraverso oscillazioni di frequenza caratteristica.

Per il fluido elettronico questa frequenza è molto più alta di quella delle oscillazioni della densità ionica, a causa della maggiore inerzia degli ioni. La pulsazione di queste oscillazioni collettive degli elettroni del plasma (detta anche frequenza di plasma elettronica) è data da:

mentre l’analoga frequenza di oscillazione ionica è data da:

dove Z rappresenta il numero medio di ionizzazione degli ioni.

La frequenza di plasma elettronica ha un interesse particolare, in quanto da essa dipende l’indice di rifrazione di un plasma e quindi le sue proprietà ottiche:

dove è la frequenza angolare della radiazione elettromagnetica che si propaga nel plasma ed la densità critica:

cioè la massima densità elettronica alla quale l’onda elettromagnetica di frequenza angolare ω può propagarsi.

Anche nei metalli si ha la frequenza di plasma, a causa della elevata densità degli elettroni liberi tale frequenza cade nell'ultravioletto. Al di sopra della frequenza di plasma (elettronica) i metalli diventano trasparenti, quindi la frequenza di plasma comporta il passaggio da un regime riflettente ad uno trasparente.

[modifica] Considerazioni

Tale frequenza di risonanza può essere vista come una frequenza di soglia. Al di sopra di tale frequenza il gas che sto considerando non risponde più alle oscillazioni del campo elettromagnetico fornito dall'esterno. Un esempio pratico di quanto appena detto è il seguente: consideriamo un gas con una concentrazione di elettroni per cm³. In corrispondenza di tale concentrazione si calcolano rispettivamente, , ed una . A questo punto, applicando un campo elettrico ad una frequenza intermedia tra le due appena scritte, si nota chiaramente come gli elettroni seguano perfettamente le oscillazioni del campo, mentre gli ioni rimangono imperturbati.