Il plasma

Da che mondo è mondo, tutti noi sappiamo che esistono tre stati della materia: solido, liquido, aeriforme. In realtà, come forse alcuni già sapranno, ne esiste anche un quarto, il plasma appunto. Vediamo di definire il termine: si intende con il termine “plasma”,quello stato della materia i cui atomi hanno subito un processo di parziale o totale ionizzazione. Quest’ ultimo termine, verrà specificato in seguito, poiché all’ interno di questo ambito può assumere significati differenti da quelli proposti dalla chimica tradizionale.

Tornando a noi, il termine “plasma” è stato introdotto dal fisico americano I. Langmuir, che pose le basi per uno studio approfondito sull’ argomento. Egli scoprì che una qualsiasi sostanza , portata a una determinata temperatura, (in ogni caso elevatissima), passava ad uno stato fino ad allora sconosciuto, grazie alla scissione degli atomi in seguito agli urti che avvenivano fra molecole e atomi oltre che con gli ioni e con elettroni già presenti. Questo processo viene chiamato “ionizzazione termica”. In altre parole, affinché una sostanza si ionizzi, occorre che l’energia cinetica relativa delle particelle che si urtano deve essere superiore all’ energia di legame dell’ elettrone piu’ labile nell’ atomo o nella molecola; ovviamente ad atomi di sostanze diverse corrispondono valori differenti di queste energie di legame. Ad esempio, per ottenere un plasma di cesio a pressione atmosferica, è necessario elevarne la temperatura fino a circa 3000 C°, mentre per l’elio, la cui energia di ionizzazione è circa 10 volte più grande, bisogna raggiungere temperature dell’ ordine di 20000 C°.

In effetti, sembra un qualcosa di assolutamente innaturale, ma d’ altra parte noi sappiamo che  la maggior parte della materia che costituisce l’universo visibile è allo stato ionizzato: la materia che costituisce le stelle calde, il gas interstellare…

Ma la ionizzazione termica non rappresenta l’unico procedimento per cui si possa ottenere materia allo stato di plasma. Questo risultato è ugualmente  raggiungibile anche  irraggiando una sostanza  con un fascio luminoso di sufficiente’ assorbimento  intensità; in questo processo, chiamato “fotoionizzazione” , si ha la scissione degli atomi in conseguenza all’assorbimento di quanti di luce. L’esistenza della ionosfera, cioè di uno strato di plasma nell’ atmosfera della Terra a un’altezza di circa 100 Km, è il frutto della fotoionizzazione dovuta alla luce solare, e in particolare ai fotoni ultravioletti, che sono i più energetici

A questo punto è doveroso specificare che in laboratorio , non si ricorre a nessuno dei due tipi di procedimento analizzati precedentemente, bensì si utilizza la cosiddetta “ionizzazione elettrica”. In un campo elettrico sufficientemente intenso, gli elettroni liberi, essendo accelerati nell’intervallo fra un urto e l’altro, possono acquistare un’energia cinetica superiore all’energia di legame degli elettroni atomici, e quindi sufficiente

 a provocare un processo di ionizzazione con la conseguente liberazione di nuovi elettroni. E’ altresì possibile ottenere lo stesso effetto anche mediante ionizzazione  prodotta da particelle cariche accelerate, (elettroni, ioni…) e in questo caso la ionizzazione avviene in seguito agli urti tra le particelle.

Una volta stabilito cosa “fosse” il plasma , si passò allo studio delle sue proprietà che si rivelarono peraltro sorprendenti. Tra le più importanti elenchiamo:

Conduttività elettrica:

L’ uso del plasma come conduttore elettrico è reso possibile dalla presenza in esso di elettroni liberi, i quali , se il plasma  viene sottoposto ad un campo elettrico, sviluppano appunto corrente elettrica.

Onde nei plasmi

Il plasma presenta una curiosa proprietà quando interagisce con un campo magnetico variabile. Se il campo elettromagnetico ha una frequenza sufficientemente alta, esso penetra nel plasma e può propagarsi al suo interno come un’ onda magnetica in un dielettrico. Tale proprietà permette la realizzazione di speciali apparecchiature per la misurazione della densità dello stesso. Il principio di funzionamento di queste apparecchiature è legato al fatto che ,diminuendo la frequenza di un’onda elettromagnetica, si raggiunge alla fine una condizione nella quale essa cessa di penetrare nel plasma e viene riflessa. La frequenza di quest’onda, per cui ha inizio la riflessione, si chiama frequenza di plasma, e risulta uguale alla radice quadrata di 4 ne2/m, dove n è la densità del plasma, e la carica dell’elettrone, m la massa dell’ elettrone.

Il fenomeno della riflessione delle onde elettromagnetiche  emeecci