plasma (fisica)

Definizione

Stato della materia, detto anche quarto stato della materia, che si ottiene portando un gas ad altissima temperatura o sottoponendolo a potenti scariche elettriche, in modo da provocare la ionizzazione della maggior parte degli atomi o delle molecole. Lo studio del plasma costituisce un'importante branca della fisica, detta fisica del .

Caratteristiche

Il plasma è distribuito ovunque nell'Universo. Esso forma i gas ad altissima temperatura e pressione presenti nel Sole e nelle stelle ed è il costituente dei gas rarefatti degli spazi interstellari; la stessa ionosfera terrestre è costituita da plasma. Materia allo stato di plasma è ancora presente nei gas di combustione di un carburante o viene generata in un gas rarefatto per effetto di scariche elettriche, come in un tubo al neon o nelle pistole a plasma. Le prime ricerche sul plasma, particolarmente su quello prodotto dalla scarica elettrica attraverso i gas, condussero alla scoperta dell'elettrone. I motivi principali dell'attuale interesse per il plasma sono sostanzialmente due: il primo, di carattere tecnologico, risiede nel fatto che la conoscenza del suo comportamento è determinante per ricavare energia termica da reazioni termonucleari controllate, cioè per riprodurre, in un plasma ad alta temperatura creato e governato dall'uomo, il sistema di produzione di energia proprio del Sole (fusione; Tokamak; ITER). Una ulteriore applicazione tecnologica consiste nella progettazione di generatori magnetoidrodinamici in cui l'energia elettrica possa essere generata da getti di plasma attraversanti opportuni campi magnetici e di motori a plasma per aeronavi. Il secondo grande motivo dell'interesse degli studi sul plasma è dato dall'importanza dei fenomeni in cui esso è coinvolto nello spazio interstellare e nelle stelle. Lo studio di un plasma può avvenire secondo due punti di vista, quello microscopico e quello macroscopico. Le particelle di un plasma interagiscono fra loro e con i campi esterni attraverso i campi che esse stesse generano. Dal punto di vista microscopico tali campi si manifestano nelle forze agenti tra particelle e il campo di indagine è quello dei fenomeni d'urto. Macroscopicamente, invece, tutti i campi generati dalle particelle contribuiscono a campi medi. In questo caso il plasma interagisce con il campo totale in cui è immerso (comprendente il campo prodotto e quello esterno) in modo globale, cioè come un fluido conduttore. Il parametro che permette di separare il dominio microscopico da quello macroscopico è la distanza λ_D, detta lunghezza di Debye, data dalla seguente espressione:

dove T_e è la temperatura cinetica, indice dell'energia cinetica media connessa con il moto delle particelle, ed è proporzionale alla temperatura assoluta espressa in kelvin, n_e è la densità elettronica, k la costante di Boltzmann ed e la carica dell'elettrone. Quando lo spazio occupato dal plasma ha dimensioni molto minori di λ_D, il plasma si comporta come un gas comune a bassa densità con fenomeni collettivi trascurabili. È questo il caso di un plasma a temperatura di 10⁶÷10⁷ K, con λ_D di dimensioni dell'ordine del centimetro, quando la densità elettronica n_e è dell'ordine di 10⁶÷10⁸ elettroni/cm³. Le particelle cariche si muovono entro il campo magnetico secondo traiettorie determinate dalle forze di Lorentz. Il moto delle particelle cariche genera correnti elettriche in seno al plasma.

Confinamento del plasma

Se opportunamente configurati, i campi magnetici esterni provocano il confinamento del plasma sfruttando una forza in tutto analoga a quella che induce a reciproca attrazione fili paralleli percorsi da corrente nella stessa direzione. Le configurazioni del plasma sono chiamate generalmente strizioni. Mancanza di omogeneità nel campo magnetico esterno o presenza di campi elettrici dovuti a effetti di induzione provocano nel plasma flussi separati di cariche dei due segni che tendono a distruggere il confinamento. Il problema del confinamento del plasma si può così sintetizzare: iniettare un plasma globalmente neutro in un campo magnetico di intensità tale che tutte le particelle abbiano traiettorie elicoidali con raggi di curvatura piccoli rispetto alle dimensioni del contenitore per evitare che tocchino subito le pareti; i campi magnetici applicati devono avere linee che si chiudono su se stesse per evitare che le particelle, spiraleggiando lungo le linee di forza, sfuggano al confinamento; raggiunto il confinamento, occorre che questo corrisponda a uno stato di equilibrio stabile. Si utilizzano allo scopo campi molto intensi con particolari configurazioni. Le configurazioni di plasma utilizzate sulla fusione sono generalmente a forma toroidale. In seguito all'accoppiamento fra il moto di un plasma e il campo che lo circonda, il plasma è sede di moti ondosi che vanno dall'onda di tipo elastico, a frequenze inferiori o dell'ordine di quelle di collisione fra le particelle, a onde elettromagnetiche, propagantisi come se il plasma fosse un mezzo con indice di rifrazione minore di 1 con una frequenza caratteristica, detta frequenza di plasma, che è la frequenza di oscillazione naturale degli elettroni del plasma anche in assenza di campo magnetico esterno. Un plasma isotropo isotermo con distribuzione maxwelliana delle velocità non presenta instabilità. Queste, invece, sono tipiche dei plasma prodotti in laboratorio e contenuti magneticamente.

Instabilità macroscopiche e microscopiche

Le instabilità del plasma possono essere approssimativamente suddivise in macroscopiche e microscopiche. Le instabilità macroscopiche sono quelle consistenti in grandi movimenti del plasma che mirano a distruggerne la configurazione e sono, in generale, simili alle instabilità idrodinamiche che si osservano quando fluidi di densità crescente sono posti l'uno sull'altro entro un campo gravitazionale rivolto in basso. Le microinstabilità conducono a fluttuazioni nella densità e nel campo elettrico all'interno del plasma e a un trasporto di particelle e di energia fuori dal campo magnetico che le dovrebbe intrappolare. A qualunque categoria appartengano, le instabilità tendono a distruggere il confinamento del plasma e per questo sono oggetto di studio. In ogni caso, anche in assenza di instabilità, il plasma può evolvere verso uno stato più disordinato a causa degli urti fra particelle. Il fenomeno predominante nelle collisioni in un plasma caldo è il cosiddetto scattering di Rutherford che comporta sia deviazione delle traiettorie, sia scambi energetici; tali collisioni stabiliscono un limite superiore alla durata del plasma. Dai processi di collisione dipendono tre importanti modi di irraggiamento da parte del plasma, irraggiamento che costituisce la via diretta per il suo raffreddamento. Il primo consiste nella produzione di raggi X (urto elettrone-ione); il secondo è conseguente all'urto elettrone-elettrone; il terzo è l'irraggiamento per eccitazione, dovuto alla diseccitazione di ioni, parzialmente privi di elettroni orbitali in seguito all'urto con elettroni. Importanti metodi di misura dei parametri del plasma (concentrazione delle particelle cariche, grado di ionizzazione, temperatura, conducibilità elettrica e termica) si basano sull'uso di sonde elettriche. Queste, usate storicamente per prime, sono impiegabili solo quando le condizioni sperimentali consentono di introdurre un elettrodo nel plasma; altre tecniche, basate su metodi ottici e a microonde, hanno il vantaggio di non alterare lo stato fisico del plasma "Per approfondire Vedi Gedea Astronomia vol. 1 p 277" "Per approfondire Vedi Gedea Astronomia vol. 1 p 277" .

Spettroscopia di emissione al plasma

Tipo di spettroscopia nella quale viene registrato lo spettro di emissione prodotto da un campione eccitato mediante un plasma. Nella variante più comune, il plasma viene prodotto da un campo a radiofrequenza nel quale viene fatto fluire dell'argo (ICP, Inductively Coupled Plasma, plasma accoppiato induttivamente o plasma ad accoppiamento induttivo). Nella zona più calda, la temperatura del plasma così prodotto (nel quale viene introdotto il campione, trascinato dal flusso di argo) può raggiungere i 10.000 K. Le sostanze contenute nel campione vengono perciò atomizzate e, in massima parte, ionizzate. Dall'osservazione degli spettri di emissione è possibile identificare quali elementi sono presenti e in quale concentrazione. In una variante più moderna, l'apparecchiatura ICP è combinata con uno spettrometro di massa, con il quale vengono campionati gli ioni prodotti dal plasma. Questa tecnica ifenata (ICP/MS, dove MS sta per Mass Spectrometry), rappresenta uno dei metodi più sensibili e accurati per determinare la composizione chimica elementare di un campione di materiale solido.

M. A. Leontovich, Plasma Physics and the Problem of Controlled Thermonuclear Reactions, Londra, 1959; J. E. Drummond, Plasma Physics, New York, 1961; L. Spitzer, Physics of Fully Ionized Gasses, New York, 1962; J. L. Delcroix, Physique des plasmas, Parigi, 1963-66; B. Coppi, J. Rem, Il Tokamak e la fusione termonucleare controllata, in “Le Scienze”, ottobre 1972; E. Sindoni, F. Troyon, J. Vacavlik, Theory of Fusion Plasmas, Bologna, 1990.