Che cos’è un plasma?

plasmaIl plasma, in fisica, rappresenta uno stato di organizzazione della materia corrispondente a quello di un gas ionizzato. Tutti o più frequentemente una parte significativa degli atomi che compongono un plasma presentano una carica elettrica individuale positiva oppure negativa – imputabile rispettivamente alla cessione o all’acquisizione di elettroni – anche se nel suo insieme il corpo del plasma risulta elettricamente neutro in quanto queste cariche si compensano dal punto di vista statistico.
Procedendo quindi dallo stato solido a quello liquido, fino allo stato gassoso, lo stato di plasma costituisce un’ulteriore progressione nello stato energetico interno alla materia. Se nello stato gassoso le interazioni fra le singole particelle (per semplicità pensiamo ad un gas monoatomico, come ad esempio un gas nobile come l’elio o l’argon) potevano essere riportate in prima approssimazione all’effetto degli urti reciproci ed assolutamente casuali tra i singoli atomi, nel caso di uno stato di plasma le interazioni fra le particelle sono a più lungo raggio e precedono di gran lunga un eventuale contatto o “urto” fra di esse. In un plasma ogni particella elettricamente carica è condizionata nei suoi movimenti da altre particelle di carica uguale e di carica opposta, certamente di più da quelle vicine, ma in linea di principio da tutte quelle che compongono la massa. Il plasma si comporta quindi come un fluido unitario, nel suo insieme elettricamente neutro

 

QUALI SONO LE PROPRIETA’ DI UN PLASMA?

Come tutti gli stati alternativi della materia, un plasma è caratterizzato da alcune peculiarità e comportamenti speciali, tanto da giustificare l’attivazione in moltissimi atenei universitari di un dipartimento ed eventualmente anche di un indirizzo di studi, interno a Fisica, denominato “Fisica del Plasma”.

Per il fatto stesso di essere costituito da particelle elettricamente cariche, un plasma gode di due fondamentali proprietà:

1)  E’ in grado di condurre una corrente elettrica (al contrario dei gas, che di solito sono considerati dei buoni isolanti);

interazione di un plasma con un campo magnetico in un tubo catodico

interazione di un plasma con un campo magnetico in un tubo catodico

2)  Interagisce con i campi elettromagnetici, sia nel senso di essere in grado attivamente di generarne (come d’altronde qualsiasi carica elettrica in movimento), sia passivamente, nel senso di subire gli effetti di campi magnetici esercitati dall’esterno.

Analogamente ad un gas, un plasma non ha una forma definita, ma non si può neppure dire che assuma la forma del contenitore nel quale è posto.
Al contrario, un plasma cessa di essere tale dal momento che entra in contatto con le pareti di un eventuale contenitore solido nel quale l’incauto sperimentatore avesse la pretesa di confinarlo: almeno parte della carica elettrica, e sicuramente dell’energia, di ciascuna particella ionizzata verrebbe facilmente scaricata sulle pareti del contenitore stesso, con la conseguenza di una degenerazione per lo meno allo stato di semplice gas (non ionizzato) di quello che all’inizio era un plasma, o in tanti altri casi alla sua vera e propria condensazione sulle pareti del contenitore, sotto forma per esempio di cristalli solidi.

forma a fiammella di un plasma accoppiato induttivamente

forma a fiammella di un plasma accoppiato induttivamente

Grazie ai campi elettromagnetici impartiti dall’esterno, un plasma può essere opportunamente “modellato” secondo diverse forme, come un filamento, un raggio, oppure un doppio strato con le particelle di carica opposta disposte in modo ordinato.

 

COME SI GENERA UN PLASMA?

In generale, le due condizioni fra loro alternative o meglio ancora additive, per portare la materia allo stato di plasma sono la sua rarefazione ed un grande apporto di energia.
La rarefazione si raggiunge per esempio tramite un alto grado di vuoto, tipico per esempio dello spazio interstellare, quindi fuori dall’atmosfera terrestre, oppure in versione più soft in robusti tubi di vetro sotto vuoto spinto. Il punto di partenza, come si potrà facilmente immaginare, sarà quello dello stato di aggregazione più prossimo, ovvero di un gas. Il grande apporto di energia si ottiene per esempio applicando un’elevata differenza di potenziale elettrico tra punti diversi nella massa del gas, ad esempio tramite elettrodi (anodo e catodo), oppure in modo più sofisticato tramite irraggiamento con radiazioni elettromagnetiche di elevata intensità ma di bassa frequenza, solitamente nel campo delle onde radio o delle microonde, laser o ancora con particelle accelerate.

emissione luminosa da plasma di gas nobili

emissione luminosa da plasma di gas nobili

Con i gas monoatomici come ad esempio quelli definiti “nobili” (dall’elio al radon) l’operazione risulta più semplice, in quanto non si deve investire energia per rompere un qualche legame chimico; con i gas bi- o poliatomici, come ad esempio H2, N2, O2, Cl2 e così via, la quantità di energia richiesta per la ionizzazione del gas è maggiore in quanto la prima quota sarà spesa per provocare la dissociazione stessa della molecole bi- o poliatomica.
fulmine a New YorkIn fondo generare un plasma non è così difficile come si potrebbe immaginare: quello che si genera in un tubo al neon e che ne consente la luminosità, è proprio un plasma, anche se a tal punto instabile (non fosse altro perché è contenuto tra le pareti di un tubo di vetro) che richiede una continua erogazione di energia per il suo mantenimento.
L’uomo ha avuto a che fare con i plasma ben prima dell’invenzione dei tubi per l’illuminazione al neon, se pensiamo che gli stessi fulmini nel cielo sono delle manifestazioni dell’assunzione rapida e passeggera dello stato di plasma da parte di una porzione di aria a pressione ovviamente “atmosferica” sottoposta ad una scarica energetica di straordinario voltaggio.
eruzioni solari di materia allo stato plasmaUn altro plasma che ci accompagna da tempo ed al quale dobbiamo certamente la vita è il nostro sole: un plasma di idrogeno ed elio con caratteristiche diverse di temperatura e di densità elettronica in funzione dei diversi strati della stella, dal suo nucleo alla corona, fino al cosiddetto “vento solare” da esso generato.

 

COME SI GESTISCE UN PLASMA?

Più che da ottenere, un plasma risulta difficile da “mantenere” nel tempo, specie se vogliamo evitare di generarlo e rigenerarlo ad ogni istante.
campo magnetico toroidale per contenimento di un plasmacampo magnetico toroidale per contenimento di un plasmaIn particolare, un plasma cessa di essere tale dal momento che entra in contatto con le pareti di un eventuale contenitore solido nel quale l’incauto sperimentatore avesse la pretesa di confinarlo: almeno parte della carica elettrica, e sicuramente dell’energia, di ciascuna particella ionizzata verrebbe facilmente scaricata sulle pareti del contenitore stesso, con la conseguenza di una degenerazione per lo meno allo stato di semplice gas (non ionizzato) di quello che all’inizio era un plasma, o in tanti altri casi alla sua vera e propria condensazione sulle pareti del contenitore, sotto forma per esempio di cristalli solidi.
In questa difficoltà di contenimento risiede una della maggiori difficoltà sperimentali nelle quali lo sperimentatore rischia di incorrere qualora si appresti a studiare un plasma. Il problema non presenta solo l’aspetto di una curiosità scientifica, ma è diventato incredibilmente “concreto” dal momento che le condizioni che si realizzerebbero in un eventuale reattore nucleare operante per fusione – quindi in analogia al processo che avviene naturalmente nel sole, ben diverso dalla fissione che avviene negli attuali reattori nucleari – porterebbe in pochi istanti la massa reattiva nelle condizioni di un plasma, e se questo non riuscisse ad essere sufficientemente contenuto, lascio al lettore la fantasia sulle possibili conseguenze.
allestimento sperimentale per contenimento di un plasmaLa strada maestra per il contenimento di un plasma sfrutta proprio la sua suscettibilità ai campi magnetici esterni, resa in questo caso un poco più complicata dal fatto che egli stesso, muovendosi al suo interno, è in grado di generarne uno.  La soluzione per il momento migliore sembrerebbe quello di farlo “scorrere” a circuito chiuso, in tondo, all’interno di un campo magnetico a forma di ciambella – ovvero di quella forma geometrica che i matematici definiscono “toro”. Entro certi limiti, un plasma in queste condizioni può essere mantenuto nel tempo, può essere utilizzato o meglio ancora osservato nelle sue proprietà, con il solo dispendio energetico richiesto dal mantenimento del campo elettromagnetico nella struttura toroidale tutto intorno: una piccola cosa, a conti fatti, rispetto al dispendio energetico richiesto per generarne o alimentarne uno ex novo.

 

QUALI SONO LE APPLICAZIONI DEI PLASMA?

taglio al plasmaFare luce, come nel caso dei tubi al neon o riempiti con altri gas nobili (es. argon, kripton, elio, xenon, radon), sempre a bassissima pressione.
Consentire il raggiungimento di altissime temperature in zone molto molto circoscritte, come si ottiene negli strumenti per la saldatura dei metalli basati sull’arco elettrico, ma anche in quelli per tagliare con estrema precisione materiali anche molto duri e soprattutto altofondenti.
schema di un ICP per uso chimico analiticoConsentire la determinazione analitica da parte dei chimici in laboratorio della composizione qualitativa e quantitativa degli elementi dei quali è composto un campione, attraverso la tecnica denominata ICP (Inductively Coupled Plasma, ovvero Plasma Accoppiato Induttivamente) che permette una rapida ed efficace volatilizzazione ed al tempo stesso eccitazione energetica degli atomi che compongono i materiali da analizzare.
Credo che gli schermi ultrapiatti delle televisioni dette appunto “al plasma” siano noti a tutti: anche se non sarebbe facile sintetizzare in poche righe come si genere e come viene sfruttato in questa applicazione un plasma per riprodurre immagini colorate ed in movimento è comunque interessante ricordare che sì, anche questa è un’applicazione sotto gli occhi di tutti di questo alternativo stato di aggregazione della materia.

processo di ionizzazione a cascata

processo di ionizzazione a cascata

Anche i fotomoltiplicatori utilizzati sia per la visione notturna che per la strumentazione analitica sfruttano un fenomeno detto “valanga di Townsend”, dove il primo impatto di un elettrone (rilasciato a sua volta in seguito all’effetto di un fotone su di una superficie sensibile) su di un atomo provoca la ionizzazione dell’atomo ed il rilascio di due elettroni, che a loro volta saranno in grado di ionizzare altri atomi. La conseguenza è che il numero di particelle cariche, e nello specifico elettroni, arriva all’ordine dei milioni dopo solo una venina di successive collisioni, situazione resa possibile dall’alto grado di vuoto nel sistema, che riduce drasticamente la probabilità di urti dissipativi.
Spesso la domanda non dovrebbe neanche essere a cosa ci serve creare noi stessi un plasma, dal momento che i plasma in natura esistono già, sulla Terra e soprattutto al di fuori dell’atmosfera terrestre (dove si ritiene che costituisca lo stato di aggregazione della materia in assoluto prevalente), con la conseguenza che volenti o nolenti, come dire… qualcosa dobbiamo averci comunque a che fare, per comprenderli, per imparare a gestirli, per contenerne le possibili conseguenze negative e, perché no, anche per sfruttarli a nostro vantaggio.
gadget domestico con plasmaEd infine sì, un plasma può anche essere un piacevole e divertente diversivo del quale fare bella mostra nel nostro salotto di casa, purché siamo disposti a superare la sfida dello scientificamente kitch. Avete presente quelle sfere con un basamento nero, che sembrano lampade, da attaccare alla corrente elettrica e che, viste all’oscurità, generano tanti fili di luce violacea, che ondeggiano a partire da una pallina centrale fino a toccare le pareti di vetro del contenitore? Ecco, quello è un esempio spettacolore di plasma domestico. Toccando con un dito un punto sulla parete esterna della sfera, le cariche elettrostatiche delle quali siamo carichi vengono, almeno in parte, trasmessi sulla parete interna della sfera, e da lì riescono ad attrarre verso di sé gli ioni di carica opposta che contribuiscono a formare il plasma all’interno della sfera. Di conseguenza il raggio della “scarica” luminosa segue questi ioni nel loro spostamento, fino al nostro dito…

 

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