Amici della Scienza

Plasma: la materia ha un quarto stato

Non ci sono solo solidi, liquidi e gas: la materia può assumere un quarto stato. Il Sole, le stelle e i fulmini sono fatti di plasma.

“Qual è il più comune stato della materia nel nostro Universo?”.

La vostra mente parte per cercare di rispondere ancora prima di sentire le quattro opzioni di risposta, probabilmente cercando di stimare se ci siano più gas, liquidi o solidi. La quarta opzione, penserete, sarà quella facile da scartare. E invece risulterà essere la risposta giusta.

Questo stato della materia che spesso non viene insegnato a scuola, e che invece rappresenta lo stato in cui la maggior parte della materia ordinaria si presenta, viene chiamato “plasma“. Chi di voi, alla domanda di Gerry Scotti avesse risposto “gas” ci sarebbe andato abbastanza vicino. Il plasma, infatti, è un gas ionizzato. Per capire cosa è un plasma, dobbiamo allora ricordare cos’è un gas e capire cosa vuol dire ionizzato; e per fare ciò è sufficiente ripassare le basi della chimica.

plasma

La materia è composta da molecole. A seconda di come sono i legami fra le varie molecole, forti, deboli o assenti, avremo i tre stati della materia che conosciamo: solidi, liquidi o gas rispettivamente. Cambiando temperatura e pressione possiamo passare da uno stato all’altro: in condizioni normali di pressione, il ghiaccio si scioglie a zero gradi diventando acqua e l’acqua evapora a 100 gradi diventando vapore acqueo.

Quello che succede è che il calore fornito allenta i legami tra le molecole fino a romperli del tutto. E se continuo a scaldare un gas fino a raggiungere temperature molto elevate? L’energia fornita riuscirà non solo a rompere i legami tra molecole, ma anche all’interno delle molecole stesse e all’interno degli atomi che compongono le molecole, strappando gli elettroni dai nuclei: avremo così una nube formata da ioni carichi positivamente (i nuclei degli atomi) ed elettroni carichi negativamente che si possono muovere gli uni rispetto agli altri.

Il gas si è ionizzato, diventando così plasma, il quarto stato della materia, identificato alla fine del diciannovesimo secolo da Sir William Crookes e Sir J.J. Thomson e descritto dal chimico Irving Langmuir negli anni ’20.

Forse qualcuno ci avrà pensato, ma no: globuli rossi, bianchi e piastrine non vengono trasportate nelle nostre arterie immerse in un gas ionizzato. Irving però si ispirò al modo in cui queste sostanze si muovono nel plasma sanguigno per descrivere il modo in cui gli elettroni si comportano nel quarto stato della materia e così, per analogia, lo chiamò plasma.

Adesso che sappiamo che a temperature molto elevate la materia si presenta sotto forma di plasma possiamo immaginare perché questo stato è così comune nell’Universo. Il Sole, e in generale le stelle, sono infatti fatti di plasma altamente ionizzato, tenuto insieme dalla forza gravitazionale. Non solo, anche lo spazio tra le stelle contiene nubi di idrogeno debolmente ionizzate dalla radiazione ultravioletta. E sulla Terra?

Quanto è comune la materia allo stato di plasma? Non molto, e questo giustifica il fatto che solitamente studiamo solo gli altri tre stati. Le temperature necessarie per la ionizzazione dei gas, infatti, sono difficilmente raggiungibili nella vita di tutti i giorni. Tuttavia, il plasma si differenzia fortemente dai solidi, liquidi e gas, perché è uno stato che può essere raggiunto non solo cambiando temperatura o pressione, ma anche applicando un forte potenziale elettrico.

Il motivo è facilmente spiegabile: gli elettroni e i nuclei, con cariche opposte, vengono attratti in direzioni opposte, fino ad essere strappati l’uno dall’altro. Questo fenomeno è quello che riesce a creare stati di plasma qui sulla Terra, e che ci consente di usarli nella vita di tutti i giorni. Las Vegas sta progressivamente passando a illuminare i suoi casinò con luci LED, ma si troveranno ancora sicuramente molte luci al neon.

Dentro quei tubi simbolo degli anni ’80 è racchiuso un gas (il primo era proprio il neon, ma diversi colori sono prodotti da diverse misture di gas) che viene parzialmente ionizzato applicando una differenza di potenziale tra gli estremi del tubo, portandolo allo stato di plasma. Un funzionamento simile lo avevano, con un altro tuffo nel recente passato, le tv al plasma. Infine, grandi differenze di potenziale tra nuvole e suolo o tra nuvole stesse formano sottili colonne di gas ionizzato, capaci di scaricare enormi energie: i fulmini.

Il plasma non è parte fondamentale solo di tecnologie ormai in declino. La prossima settimana, per esempio, vi parleremo di come venga utilizzato da combustibile per i razzi o per la fusione nucleare.

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.

plasma 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].

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.

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.

plasma 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.

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).

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.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Goldston, RJ; Rutherford, PH (1995). Introduzione alla fisica del plasma . Taylor e Francis. p. 1-2. ISBN 978-0-7503-0183-1.
  2. Morozov, AI (2012). Introduzione alla dinamica del plasma . CRC Press. p. 17. ISBN 978-1-4398-8132-3.
  3.  Sturrock, Peter A. (1994). Fisica del plasma: un’introduzione alla teoria dei plasmi astrofisici, geofisici e di laboratorio . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-44810-9.
  4. “Come funziona Lightning” . Come funzionano le cose. Aprile 2000.
  5. Scale spaziali e scale temporali caratteristiche della dinamica di un plasma
  6. Classificazione dei plasmi
  7. Amici della Scienza
0 0 vote
Article Rating
Subscribe
Notificami
guest
0 Commenti
Inline Feedbacks
View all comments
Translate »
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x