Plasma (fisica): differenze tra le versioni

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[[File:Plasma-lamp 2.jpg|thumb|upright=1.4|[[Lampada al plasma]]]]

In [[fisica]] e [[chimica]], il '''plasma''' è un [[Ionizzazione dei gas|gas ionizzato]], costituito da un insieme di [[Elettrone|elettroni]] e [[ione|ioni]] e globalmente neutro (la cui [[carica elettrica]] totale è nulla). In quanto tale, il plasma è considerato come il ''quarto stato'' della [[materia (fisica)|materia]], che si distingue quindi dal [[solido]], dal [[liquido]] e dall'[[aeriforme]], mentre il termine "[[ione|ionizzato]]" indica che una frazione abbastanza grande di elettroni è stata strappata dai rispettivi [[atomo|atomi]].

Fu identificato da [[Baronetto|Sir]] [[William Crookes]] nel [[1879]] e chiamato "plasma" da [[Irving Langmuir]] nel 1927<ref>{{Cita pubblicazione|autore=G. L. Rogoff, Ed.|titolo=IEEE Transactions on Plasma Science|volume=19|p=989|data=dicembre 1991|url=http://www.plasmacoalition.org/what.htm|lingua=en|urlmorto=sì|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20060420130322/http://www.plasmacoalition.org/what.htm|dataarchivio=20 aprile 2006}}</ref>. Le ricerche di Crookes portarono alla realizzazione dei cosiddetti [[Tubo di Crookes|tubi di Crookes]], gli antenati dei [[Tubo a raggi catodici|tubi catodici]] e delle [[lampada al neon|lampade al neon]].

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== Classificazione ==

{{vedi anche|Ionizzazione dei gas}}

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File:HeTube.jpg|Colore emesso da un tubo riempito di [[Elio]]: '''arancione''' ([[temperatura di colore]]).

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La modalità più semplice per generare un plasma consiste nell’applicarenell'applicare un [[campo elettromagnetico]] sufficientemente intenso a una miscela gassosa. Esistono diverse classificazioni che dipendono dalle condizioni operative utilizzate per la generazione del plasma. Esistono infatti delle distinzioni in funzione di:

*=== [[Pressione]] del [[gas]] ===

* Tipo di sorgente

Per quanto riguarda la pressione, si effettua una distinzione tra bassa pressione, media pressione e pressione atmosferica. Nel primo caso la miscela gassosa ha una pressione inferiore ai 10 [[Torr|mTorr]] (~1 [[Pascal (unità di misura)|Pa]]), mentre nel secondo caso l’ordinel'ordine di grandezza è di 10⁰ Torr (~100 Pa). Un tipico esempio di plasma generato artificialmente a bassa pressione è costituito dalle [[lampade al neon]]. Il plasma a pressione atmosferica (760 Torr o {{formatnum:101325}} Pa) viene invece utilizzato a livello industriale per la produzione di [[Ozono]] (O3) da un flusso di [[ossigeno]] (O2) puro.

* [[Temperatura]] del gas di background

* Grado di [[Ionizzazione dei gas|ionizzazione]]

*=== Tipo di sorgente ===

* Elettronegatività

Diversi tipi di sorgente possono essere utilizzati: [[corrente continua]] (Direct Current - DC), [[corrente alternata]] con [[radiofrequenze]] (3 kHz – 300 GHz), sorgenti pulsate e [[microonde]].<ref name="Braithwaite">{{Cita pubblicazione|cognome1=Braithwaite |nome1=N St J |titolo=Introduction to gas discharges |rivista=Plasma Sources Science and Technology |data=1º novembre 2000 |volume=9 |numero=4 |pp=517–527517-527 |doi=10.1088/0963-0252/9/4/307}}</ref>

* Fattori geometrici

* Il grado di magnetizzazione

*=== [[Temperatura]] del gas di background ===

Per quanto riguarda la pressione, si effettua una distinzione tra bassa pressione, media pressione e pressione atmosferica. Nel primo caso la miscela gassosa ha una pressione inferiore ai 10 [[Torr|mTorr]] (~1 [[Pascal (unità di misura)|Pa]]), mentre nel secondo caso l’ordine di grandezza è di 10⁰ Torr (~100 Pa). Un tipico esempio di plasma generato artificialmente a bassa pressione è costituito dalle [[lampade al neon]]. Il plasma a pressione atmosferica (760 Torr o {{formatnum:101325}} Pa) viene invece utilizzato a livello industriale per la produzione di [[Ozono]] (O3) da un flusso di [[ossigeno]] (O2) puro.

Un importante parametro che caratterizza il plasma è la temperatura del gas di background, cioè la temperatura della miscela di [[molecole]] neutre. È infatti possibile effettuare una distinzione tra [[Plasma non termico|plasma freddo]] e di alta temperatura. Un plasma ‘freddo’"freddo" è caratterizzato da temperature che variano tra quella atmosferica e circa 1000 K, mentre la temperatura degli elettroni, che dipende dall’intensitàdall'intensità del campo elettromagnetico, è generalmente dell’ordinedell'ordine dei 10⁴ K (10⁰-10¹ eV). Data la grande differenza tra i due valori, spesso ci si riferisce a questa situazione con il termine ‘"[[Plasma non termico|plasma di non-equilibrio]]’".

Diversi tipi di sorgente possono essere utilizzati: [[corrente continua]] (Direct Current - DC), [[corrente alternata]] con [[radiofrequenze]] (3 kHz – 300 GHz), sorgenti pulsate e [[microonde]].<ref name="Braithwaite">{{Cita pubblicazione|cognome1=Braithwaite |nome1=N St J |titolo=Introduction to gas discharges |rivista=Plasma Sources Science and Technology |data=1º novembre 2000 |volume=9 |numero=4 |pp=517–527 |doi=10.1088/0963-0252/9/4/307}}</ref>

Un importante parametro che caratterizza il plasma è la temperatura del gas di background, cioè la temperatura della miscela di [[molecole]] neutre. È infatti possibile effettuare una distinzione tra [[Plasma non termico|plasma freddo]] e di alta temperatura. Un plasma ‘freddo’ è caratterizzato da temperature che variano tra quella atmosferica e circa 1000 K, mentre la temperatura degli elettroni, che dipende dall’intensità del campo elettromagnetico, è generalmente dell’ordine dei 10⁴ K (10⁰-10¹ eV). Data la grande differenza tra i due valori, spesso ci si riferisce a questa situazione con il termine ‘[[Plasma non termico|plasma di non-equilibrio]]’.

=== Grado di ionizzazione ===

Un'altra caratteristica del plasma è il suo grado di [[Ionizzazione dei gas|ionizzazione]]. Viene definito come il rapporto tra la densità delle molecole ionizzate e quella totale. Si può distinguere tra plasma debolmente, parzialmente o completamente ionizzato. Esistono due principali tipologie di processi collisionali: ioni-elettroni e molecole neutre-elettroni. Le prime sono generalmente più frequenti per via delle forze elettrostatiche ([[forza di Coulomb]]). In un plasma debolmente o parzialmente ionizzato i principali processi collisionali coinvolgono molecole neutre ed elettroni, mentre un plasma completamente ionizzato è dominato da collisioni tra ioni ed elettroni. Per quest’ultimoquest'ultimo caso non è necessario che il grado di ionizzazione sia unitario, perché anche una miscela che raggiunge il valore di 0.01% può essere considerata completamente ionizzata.

*=== Elettronegatività ===

L’elettronegativitàL'elettronegatività di un plasma è definita in maniera analoga al grado di ionizzazione, cioè come il rapporto tra la densità degli [[ioni]] negativi e la densità di elettroni. La presenza di ioni carichi negativamente all’internoall'interno di una miscela gassosa è una conseguenza della predisposizione di alcuni atomi/molecole di attrarre elettroni e “catturarli”"catturarli" (attachment). Affinché un gas possa essere considerato elettronegativo la densità degli ioni negativi deve essere indicativamente 3 volte superiore a quella degli elettroni per miscele a basse pressioni (300 per gas a pressioni più elevate).<ref>{{Cita pubblicazione|cognome1=Franklin |nome1=R N |titolo=Electronegative plasmas why are they so different? |rivista=Plasma Sources Science and Technology |data=1º agosto 2002 |volume=11 |numero=3A |pp=A31–A37 |doi=10.1088/0963-0252/11/3A/304}}</ref>

*=== Fattori geometrici ===

Un'ulteriore classificazione è realizzabile in base alla configurazione geometrica della strumentazione. Gli [[elettrodi]] per la generazione del plasma possono essere costituiti per esempio da due lastre piane parallele, due cilindri coassiali, una lastra piana e un elettrodo cilindrico perpendicolare ad essa.

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La [[Curve di Paschen|legge di Paschen]] stabilisce il legame tra la tensione di "''breakdown''" per cui si forma il plasma ed il prodotto tra pressione e distanza degli elettrodi. La curva ha un minimo che dipende dal gas presente. Per esempio, per ionizzare gas Argon in un tubo lungo un metro e mezzo alla pressione di {{M|1|e=-2|ul=mbar}}, occorrono circa {{M|800|ul=V}}.

Una miscela gassosa posta tra le piastre di un [[condensatore (elettrotecnica)|condensatore]] si comporta come un [[dielettrico]]. Applicando una tensione crescente ad una piastra, si raggiungerà ad un certo punto la situazione in cui il gas cambia comportamento, abbandonando la caratteristica di isolante e cominciando a condurre cariche elettriche. Questo fenomeno prende il nome di “breakdown”"breakdown". La corrente elettrica che si genera nel gas in funzione della tensione applicata ha un comportamento complesso (riportato nella figura a lato). Inizialmente, anche a tensioni molto basse, si generano piccole scariche casuali. Questo possono essere innescate da [[raggi cosmici]] oppure dalla presenza di micro-asperità sulle superfici del condensatore che intensificano localmente il campo elettrico.<ref name="Braithwaite" />

Aumentando la tensione applicata si osserva un aumento della corrente fino al raggiungimento di un valore di saturazione. Questa regione (A-D nella figura a lato) prende il nome di scarica oscura (“Dark"Dark Discharge”Discharge"). Un certo numero di elettroni vengono emessi dalla piastra carica del condensatore e, procedendo verso l’altral'altra piastra, urtano le molecole del gas dando luogo ad alcune reazioni di ionizzazione. Le scariche che si formano non sono in grado di auto-sostenersi finché non viene raggiunto il punto D del grafico. In questo regime, una condizione di equilibrio viene raggiunta: un elettrone emesso dall’elettrododall'elettrodo è in grado di ionizzare in media una molecola e lo ione generato raggiunge l’elettrodol'elettrodo emettendo un altro elettrone. Descrivendo più nel dettaglio questa condizione, si ha:

# Un elettrone viene emesso dall’elettrododall'elettrodo

# Questo elettrone, dopo avere percorso una certa distanza, colliderà con una molecola generando un nuovo elettrone e uno ione. Il numero di elettroni generati dal primo elettrone per successive ionizzazioni avrà un carattere esponenziale.

# Gli ioni generati dalle reazioni di ionizzazione hanno carica positiva e si spostano in direzione opposta rispetto agli elettroni.

# Ogni ione che collide con l’elettrodol'elettrodo di partenza ha una certa probabilità di emettere un nuovo elettrone che è in grado di innescare altre reazioni di ionizzazione (punto 2)

La formazione del plasma è accompagnata dalla formazione di luce: per questo si dice che la scarica passa dal regime di ''scarica oscura'' a quello di ''scarica a bagliore (glow)''. Questa transizione è contrassegnata da una diminuzione della tensione applicata ai capi del tubo, in quanto la formazione di cariche libere (elettroni e ioni) riduce la [[resistenza elettrica]] del gas.

Con l’instaurarsil'instaurarsi di un regime di “glow"glow discharge”discharge" si verificano una serie di processi collisionali diversi che portano alla generazione di una grande varietà di specie diverse: ioni, radicali e specie eccitate. Queste ultime in particolare sono specie neutre che presentano configurazioni elettroniche di non-equilibrio e possiedono un contenuto energetico superiore rispetto alle corrispettive specie neutre. Trovandosi in una condizione di non-equilibrio, queste specie tenderanno a riportarsi in una condizione di stabilità. L’energiaL'energia in eccesso viene quindi liberata sotto forma di fotoni tramite i seguenti fenomeni:

* radiazione di frenamento ([[Bremsstrahlung]]) di elettroni emessi o ricatturati da un nucleo;

* radiazione di [[linea spettrale|riga]] da parte di atomi neutri o parzialmente ionizzati

Se a questo punto la tensione ai capi del tubo viene ulteriormente aumentata, la scarica passa dal regime di "''glow''" a quello di ''arco'': la luminosità della scarica aumenta ancora, e la tensione subisce un altro brusco calo (come nel passaggio dal regime di ''scarica oscura'' a quello di ''scarica a bagliore''). Questo regime è caratterizzato da correnti elettroniche elevate che vengono trasferite da un elettrodo all’altroall'altro con la formazione di scariche continue e visibili, chiamate archi. Le collisioni tra elettroni e molecole lungo un arco producono calore. Il riscaldamento generato fa sì che le scariche ad arco vengano considerate plasmi termici, dove il gas viene riscaldato fino al raggiungimento di temperature elevate.

Riassumendo, in un tubo rettilineo un gas ionizzato a seconda della tensione applicata e della corrente presente nel gas attraversa i seguenti regimi:

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In sostanza, dentro il plasma deve essere sempre verificato che n_e&nbsp;=&nbsp;ΣZ·n_i, ossia deve essere rispettata la condizione di neutralità di carica n_e&nbsp;=&nbsp;n_i, dove n_e è la densità di elettroni, ed n_i è la densità di ioni, Z il [[numero atomico]] dello ione.

Per mantenere questa condizione, dentro il plasma si forma un campo elettrico, detto ''ambipolare'', che tende a frenare gli elettroni, e ad accelerare gli ioni<ref>{{Cita|R. Goldston e P.H. Rutherford|p. 15}}.</ref> (tendenzialmente, gli elettroni sono più veloci a diffondere).

Dentro il plasma si forma un [[campo elettrico]] corrispondente all'[[energia potenziale]]:

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I plasmi presenti in natura e in laboratorio si caratterizzano per una grande varietà nella grandezza di questi parametri.

Nella tabella che segue<ref>{{Cita|T.J.M. Boyd e J.J. Sanderson|p. 12}}.</ref> sono riportati gli ordini di grandezza per una serie di plasmi: si ricordi che una temperatura di {{M|1|ul=eV}} corrisponde a circa 11&nbsp;600 [[kelvin]], e che la densità dell'[[aria]] è di circa 10²⁵ particelle per metro cubo. Si riconosce subito che la maggior parte dei plasmi sono caratterizzati da alte temperature elettroniche: si va dai quasi 30&nbsp;000 gradi di un fulmine, fino ai milioni di gradi del nucleo solare e degli esperimenti di fusione termonucleare. I plasmi interstellari sono invece caratterizzati da densità molto basse (e quindi, relativamente grandi lunghezze di Debye).

Dato che nella espressione della lunghezza di Debye compare un rapporto di temperatura e densità, ciò non impedisce che si possano produrre plasmi a temperatura ambiente: sono i cosiddetti ''[[plasmi freddi]]'', per i quali gli ioni sono effettivamente a temperatura ambiente, ma gli elettroni hanno una temperatura di qualche elettronvolt.

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=== Fenomeni dissipativi ===

Il plasma è composto di ioni ed elettroni. L'interazione tramite la [[forza di Coulomb]] fra queste specie porta ad urti (generalmente [[urto elastico|elastici]]), che sono origine di effetti dissipativi. Il primo e più importante effetto è la comparsa di [[Resistività elettrica|resistività]]. La presenza di urti di tipo coulombiano introduce una resistività, che, secondo la previsione teorica di [[Lyman Spitzer|Spitzer]] è data dalla relazione<ref>{{Cita|R. Goldston e P.H. Rutherford|p. 177}}.</ref>:

:<math>\, \eta_{Spitzer} = 5 \times 10^{-5} \; \frac{Z \; \log \Lambda}{T_e^{3/2}} \; \Omega \, \mathrm{m} </math> .