Portale » Cos'è il plasma

Il quarto stato della materia

Cosa definisce lo stato di plasma?

Un plasma è un gas ionizzato costituito da una miscela quasi-neutra di elettroni liberi, ioni (atomici o molecolari) e specie neutre interagenti tra di loro. Al crescere della temperatura la materia si trasforma, cambiando il suo stato di aggregazione. Il plasma può essere considerato il quarto stato della materia, oltre allo stato solido, liquido e aeriforme; si ottiene fornendo alle molecole di un gas, a una data pressione, energia termica sufficiente a dissociare le molecole e ionizzare gli atomi e le molecole del gas stesso. La transizione tra stato gassoso e plasma non può però essere considerata una transizione di fase in senso termodinamico perché avviene gradualmente all’aumentare della temperatura.

Stati della materia

Il 99.9% della materia visibile nell’Universo si trova allo stato di plasma: l'interno delle stelle, lo spazio interstellare (un esempio è mostrato in figura), ionosfera, aurore boreali (illustrata nell'immagine scattata dalla International Space Station), fulmini, fiamme. Ai plasmi presenti in natura si aggiungono quelli generati in laboratorio: tubi al neon, sfere al plasma, archi elettrici, scariche a radiofrequenza per applicazioni industriali, fino ai plasmi ad altissime temperature per le ricerche sulla fusione termonucleare controllata. 

NGC6559
Nebulosa (NGC 6559). La radiazione di colore rosso è dovuta alla ricombinazione dell’idrogeno interstellare, ionizzato dalla radiazione emessa dalle stelle vicine, con gli elettroni. Piccole particelle di polvere (dust) riflettono la luce blu proveniente dalle stelle vicine, altre particelle di polvere assorbono la luce dando origine a filamenti scuri [Fonte: Nasa].

 

Aurora Boreale
Fotografia di un’aurora boreale scattata dalla Stazione Spaziale Internazionale (ISS-NASA). L'aurora boreale è un fenomeno dovuto all’interazione tra i costituenti della ionosfera e le particelle cariche (vento solare) intrappolate dal campo magnetico terrestre in corrispondenza dei poli. Ioni ed elettroni eccitano gli atomi e le molecole neutre che costituiscono la ionosfera, le quali diseccitandosi emettono luce di diverse lunghezze d’onda [Fonte: Nasa].

Esiste inoltre una categoria di plasmi in cui tra i costituenti ci sono anche piccoli aggregati di materia solida (di dimensioni variabili dai nanometri ai millimetri) che si caricano negativamente per effetto della maggior mobilità degli elettroni rispetto agli ioni. Sono questi i “dusty plasma” la cui dinamica è caratterizzata dal fatto che la carica elettrica dei granelli di “polvere” varia rapidamente nel tempo: tra questi plasmi possiamo annoverare quelli che costituiscono le comete, gli anelli dei pianeti, le nebulose, le fiamme, ma anche quelli che si producono durante le eruzioni vulcaniche, gli aerosol atmosferici, le sabbie desertiche trasportate dal vento e la cosiddetta “neve carica”. La presenza di polveri è documentata anche nei reattori a fusione termonucleare e in reattori destinati a processi industriali.

Da dove deriva il termine “plasma”?

Il termine “plasma” fu utilizzato per la prima volta nel 1927 dall’americano Irving Langmuir, vincitore del premio Nobel per la Fisica, per indicare un gas ionizzato il cui comportamento è assimilabile a quello di un fluido che trasporta elettroni, ioni e impurezze. Il termine gli fu suggerito dall’analogia con il plasma sanguigno, termine introdotto nel secolo precedente dal medico ceco Purkinje per indicare il fluido che trasporta globuli bianchi, globuli rossi e sostanze nutritive.

Parametri caratteristici dei plasmi

Quanto sono ionizzati i plasmi rispetto ai gas ordinari?

Il grado di ionizzazione di un plasma dominato dai processi collisionali dipende dalla natura del gas, dalla concentrazione degli atomi che lo compongono e dalla sua temperatura. In tali condizioni, nell’ipotesi di equilibrio termodinamico locale, è possibile valutare il grado di ionizzazione mediante la formula che va sotto il nome di equazione di Saha. Nel caso più semplice di un gas monoatomico di idrogeno, tale equazione prende la forma analitica 

ni/nt = y/2 [√(1+4⁄y)-1]

ove y=(2πme KB T)^(3⁄2)/(h^3 nt ) e^(-χ/(KB T)), nt=nn+ni è la concentrazione totale di atomi neutri (nn) e ioni (ni) di H, χ è il potenziale di ionizzazione di H (χ=13.6 eV), me la massa dell'elettrone, T la temperatura del gas, h e KB le costanti di Planck e di Boltzmann. In figura la quantità ni/nt in funzione della temperatura degli elettroni è mostrata per diversi valori della densità totale nt degli atomi di Idrogeno. Si osserva come già per temperature di 1 eV è possibile realizzare la ionizzazione completa del gas nonostante il potenziale di ionizzazione sia di 13.6 eV. Ciò è reso possibile in un plasma all’equilibrio dalla presenza di elettroni distribuiti su un ampio intervallo di energie, centrato sull’energia termica ma che si estende fino a valori molto superiori ad essa, e quindi in grado di ionizzare gli atomi neutri. L’aria a temperatura ambiente presenta un rapporto tra le concentrazioni di ioni e atomi neutri. Nei vari tipi di plasma esistenti in natura o prodotti in laboratorio, il rapporto può assumere valori che variano di molti ordini di grandezza a seconda delle densità e delle temperature in gioco. Tale valore varia nell’intervallo 10-6 – 10-1 per le scariche a radiofrequenza, è circa 1.5 nel nucleo del Sole, dell’ordine di 1013 per i plasmi confinati magneticamente nei tokamak e circa 1018 nel plasma della corona solare; plasmi fusionistici e corona solare possono quindi essere considerati completamente ionizzati (ni⁄nt ≈1).

grado_ionizzazione

In figura, il grado di ionizzazione ni⁄nt di un plasma di idrogeno al variare della temperatura del gas per diversi valori della densità totale nt, nell’ipotesi di equilibrio termodinamico locale.

Caratteristiche dello stato di plasma: gli effetti collettivi

Una delle caratteristiche fondamentali dei plasmi è la presenza di effetti collettivi. Diversamente dai gas neutri in cui gli atomi o le molecole elettricamente neutre collidono tra di loro come masse puntiformi, in un plasma le particelle cariche, oltre ad interagire con gli atomi neutri mediante campi elettrici di polarizzazione (in collisioni binarie con raggio di interazione molto minore della distanza interatomica media), interagiscono simultaneamente con numerose altre particelle cariche vicine attraverso campi elettrostatici coulombiani, i quali hanno un raggio d’azione molto più esteso della dimensione delle particelle stesse. Infatti, poiché il potenziale elettrostatico generato da una carica elettrica decresce lentamente (proporzionalmente a 1/r) allontanandosi dalla sorgente, l’intensità dell’interazione si mantiene ad un livello non trascurabile anche lontano dalla carica sorgente, fino a una distanza caratteristica chiamata lunghezza di Debye λD per poi diminuire rapidamente. Per questo motivo una carica di prova q interagisce simultaneamente con una “collezione” di molte cariche vicine, tutte quelle contenute nella sfera di raggio  λD. Per definire la lunghezza di Debye λD si consideri l’andamento del potenziale elettrico ϕ(r) generato dalla carica di prova q, posta in un dato punto del plasma assunto come origine del sistema di riferimento. Nel vuoto il potenziale elettrostatico prodotto da q, soluzione dell’equazione di Laplace, assume la forma ϕ(r)=1/(4πε0) q/r. Se la particella invece è immersa in un plasma le cariche di segno opposto si addensano intorno ad essa mentre quelle di ugual segno se ne allontanano (sulla scala λD il plasma non mantiene la sua neutralità elettrica) generando così, a distanze r abbastanza grandi, una distribuzione spaziale di potenziale elettrostatico il cui effetto complessivo è una riduzione significativa del valore del potenziale coulombiano, per r > λD , rispetto al corrispondente valore nel vuoto. Le cariche si dispongono pertanto intorno alla carica di prova in modo da schermare esponenzialmente il potenziale elettrostatico generato da essa su una distanza dell’ordine λD =√((ε0 kB Te)⁄(e2ne)), dove ne è la densità degli elettroni e Te la loro temperatura.

Per saperne di più: 

Scale spaziali e scale temporali caratteristiche della dinamica di un plasma

Classificazione dei plasmi

 


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