In fisica e chimica, plasma è il nome del quarto stato della materia, formato quando una parte non trascurabile delle particelle che compongono un gas sono state ionizzate, dando origine ad un insieme di ioni positivi e negativi liberi di muoversi, ma rimanendo neutro su scala globale (la cui carica elettrica totale è nulla). La presenza di ioni liberi con carica elettrica non neutra conferisce proprietá elettriche e magnetiche al plasma che quindi si comporta secondo leggi fisiche diverse rispetto ad un gas neutro. I plasmi sono relativamente rari sulla Terra, mentre si stima che più del 99.9% della materia dell'universo osservabile si trovi in questo stato.
Fu identificato da Sir William Crookes nel 1879 e chiamato "plasma" da Irving Langmuir nel 1927. Le ricerche di Crookes portarono alla realizzazione dei cosiddetti tubi di Crookes, gli antenati dei tubi catodici e delle lampade al neon.
Essendo costituito da particelle cariche, i moti complessivi delle particelle del plasma sono in parte governati dalle forze elettriche a lungo raggio che si vengono continuamente a creare, e che a loro volta tendono a mantenere il plasma complessivamente neutro; questo fatto stabilisce una differenza importante rispetto ai gas ordinari, nei quali invece i moti delle particelle sono dovuti a forze che si estendono al massimo per qualche primo vicino. Le cariche elettriche libere fanno sì che il plasma sia un buon conduttore di elettricità, e che risponda fortemente ai campi elettromagnetici.
Mentre sulla Terra la presenza del plasma è relativamente rara (fanno eccezione i fulmini e le aurore boreali), nell'Universo costituisce più del 99% della materia conosciuta: si trovano infatti sotto forma di plasma le stelle (incluso naturalmente il Sole) e le nebulose. Infine, un altro esempio di plasma è rappresentato dallo strato di gas ionizzato ed estremamente caldo che si forma sullo scudo termico dei veicoli spaziali al rientro nell'atmosfera.
Storia della fisica dei plasmi
Il plasma è spesso definito come "quarto stato" della materia: in questo senso, esso riproduce l'idea dei quattro elementi (il fuoco, la terra, l'aria e l'acqua), che storicamente si fa risalire al filosofo siceliota Empedocle. I primi esperimenti riguardanti i plasmi coincidono però con le prime scoperte sull'elettromagnetismo. Le prime scoperte sulle proprietà delle scariche elettriche nei gas vengono fatte risalire al leggendario esperimento di Benjamin Franklin, che scoprì la natura elettrica del fulmine: il 15 giugno 1752, a Filadelfia, egli usò come dispositivo un aquilone, legato all'estremità di un filo di canapa. All'altra estremità egli appese una chiave, e portò l'aquilone vicino alle nuvole durante un temporale. Tenendo a distanza con un nastro di seta l'estremità con la chiave, per proteggersi le mani, vide che la chiave si muoveva per effetto dell'accumulo di cariche elettriche, e che poteva caricare con questa una bottiglia di Leida (un tipo di esperienza che egli aveva già effettuato nei suoi studi sull'elettrostatica).
Studi più precisi coincidono con la creazione dei primi tubi da vuoto, i tubi di Crookes appunto, che Sir William Crookes cominciò a studiare negli anni successivi al 1870 modificando il prototipo creato da Heinrich Geissler, che si chiama appunto tubo di Geissler. Proprio un tubo simile a questo portò Röntgen alla scoperta dei raggi X.
Gli studi sui plasmi rimasero però più che altro una curiosità: fanno eccezione gli studi approfonditi di Nikola Tesla sulle scariche di plasma RF, sulle lampade al plasma, sul plasma freddo per la produzione di ozono e sui plasmoni, e di Irving Langmuir, che studiò in particolare (negli anni successivi al 1920) l'interazione dei plasmi con le pareti del contenitore nei quali i plasmi stessi venivano formati: proprio per questi studi egli vinse il premio Nobel nel 1932. L'interesse sistematico per lo studio dei plasmi inizia invece alla fine degli anni cinquanta, quando la Conferenza di Ginevra Atoms for peace sancisce l'inizio degli studi su uno sfruttamento pacifico della Fusione nucleare. Contemporanea è la costituzione dell'Agenzia Internazionale per l'Energia Atomica (IAEA, 1957).
Più o meno nello stesso periodo cominciano i primi studi sugli effetti di un campo magnetico sui gas ionizzati (per es. della ionosfera) compiuti dal fisico svedese Hannes Alfvén, che lo porteranno a vincere il premio Nobel nel 1970. Questi studi porteranno alla spiegazione del meccanismo delle fasce di van Allen in termini di moti di ioni ed elettroni.
Oggi la fisica del plasma è un settore in piena espansione, non solo per quanto riguarda la Fusione nucleare, ma anche le applicazioni industriali (trattamento di superfici, il taglio al plasma, gli schermi al plasma) e la propulsione spaziale.
Classificazione
La modalità più semplice per generare un plasma consiste nell'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 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 mTorr (~1 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 Pa) viene invece utilizzato a livello industriale per la produzione di Ozono (O3) da un flusso di ossigeno (O2) puro.
Tipo di sorgente Diversi tipi di sorgente possono essere utilizzati: corrente continua (Direct Current - DC), corrente alternata con radiofrequenze (3 kHz – 300 GHz), sorgenti pulsate e microonde.
Temperatura del gas di background 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 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 di non-equilibrio".
Grado di ionizzazione Un'altra caratteristica del plasma è il suo grado di 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'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'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'interno di una miscela gassosa è una conseguenza della predisposizione di alcuni atomi/molecole di attrarre elettroni e "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).
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.
Produzione di un plasma
La 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 , occorrono circa .
Una miscela gassosa posta tra le piastre di un 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". 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.
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 Discharge"). Un certo numero di elettroni vengono emessi dalla piastra carica del condensatore e, procedendo verso l'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'elettrodo è in grado di ionizzare in media una molecola e lo ione generato raggiunge l'elettrodo emettendo un altro elettrone. Descrivendo più nel dettaglio questa condizione, si ha:
Un elettrone viene emesso dall'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'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'instaurarsi di un regime di "glow 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'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;