Il quarto stato della materia

Ultimamente ho accennato alle mie fatiche accademiche, gli strenui tentativi di conseguire la laurea. Finalmente è successo e mi son chiesto: quale occasione migliore di riprendere i post di argomento scientifico? Ammettendo che questo è il primo ad avere un intento divulgativo, cercherò di essere chiaro e presentare un'introduzione generale alla fisica dei plasmi e a due significativi campi di applicazione.

Gli stati della materia

Chi di voi ha dimestichezza con la filosofia naturale dei greci, si ricorderà dei quattro elementi: terra, acqua, aria e fuoco. I quattro elementi sono parsi così naturali ai greci che ancora oggi, dopo quattro secoli di scienza sperimentale, questo paradigma conserva il suo fascino. Al posto degli "elementi" abbiamo gli stati della materia: solido, liquido, gassoso. Dei primi tre ne abbiamo sentito parlare a scuola: un solido è qualcosa che ha forma e volume propri, un liquido ha volume ma non una forma, il gas non ha nessuno dei due. Dal punto di vista microscopico, la differenza tra gli stati sta nell'intensità dell'energia di legame rispetto all'energia cinetica: in un solido atomi e molecole sono strettamente legati, mentre in un gas ideale le interazioni sono trascurabile e le particelle si muovono liberamente. Notiamo però che mentre gli elementi sono quattro, gli stati sono tre. Se identifichiamo nell'energia del sistema(*) un parametro per distinguere gli stati, possiamo assumere che aumentando l'energia si abbia una transizione da uno stato all'altro. Per esempio, portando un liquido a ebollizione, parte del liquido transisce allo stato gassoso, oppure raffreddando una bottiglia di acqua, questa congela e otteniamo del ghiaccio.

Creiamo un plasma

In tutto ciò, cosa c'entra il plasma? È presto detto.
Supponiamo di riscaldare un gas: le particelle acquisiscono sempre più energia cinetica, che dissipano solamente mediante urti con altre particelle o con le pareti. A un certo punto, un atomo (o molecola) avrà abbastanza energia affinché uno dei suoi elettroni abbia abbastanza energia per liberarsi dall'orbitale in cui è confinato. Si crea così una coppia ione-elettrone, dove lo ione è l'atomo senza uno dei suoi elettroni, e quindi ha carica positiva, mentre l'elettrone, che ha sufficiente energia per andarsene a spasso, ha carica negativa. Otteniamo, in poche parole, un gas ionizzato. La differenza fondamentale tra un gas ionizzato e uno non ionizzato è che nel primo sono presenti delle cariche, e pertanto si instaurano delle interazioni elettriche.
Prima di azzardare che un gas ionizzato è un plasma (anche se siamo sulla giusta strada), cerchiamo di capire come esso è fatto e quali sono le sue caratteristiche principale.


Una definizione

"Un plasma è un gas elettricamente quasineutro, costituito da particelle cariche e particelle neutre, che esibisce un comportamento collettivo."

Il primo problema che incontriamo è la parola "quasineutro". Abbiamo detto che nel nostro gas ionizzato sono presenti cariche positive (ioni) e negative (elettroni), non dovrebbe essere elettricamente carico? Quasineutro significa che il gas è globalmente neutro, ovvero che gli squilibri di carica esistono su una scala piccola rispetto alle dimensioni del sistema: visto da lontano, il plasma è neutro.
Il secondo termine un po' ostico è sicuramente "collettivo". Comportamento collettivo significa che le particelle libere presenti nel plasma esibiscono un comportamento che non è determinato solo dall'energia cinetica (il classico moto browniano) ma è in qualche modo legato a quello delle altre particelle. La ragione sta nel fatto che la presenza di campi elettrici complica sempre le cose! Le particelle cariche oscillano a una frequenza caratteristica, detta frequenza di plasma, e si possono instaurare fenomeni più complessi come onde, instabilità, etc.

Abbiamo quindi un gas quasineutro, ma contenente cariche elettriche, e che esibisce comportamento collettivo. In altre parole, non basta che sia un gas ionizzato, ma deve soddisfare requisiti specifici.


Plasmi naturali e artificiali

Non vorrei ora dare l'idea che i plasmi siano qualcosa di estraneo al quotidiano. La vita sulla Terra è possibile grazie alla luce del Sole, che è un plasma. Analogamente, fenomeni come fulmini, aurore polari e fuochi di sant'elmo sono plasmi. Circa il 99% della materia presente nell'universo(**) è in stato di plasma, quindi dovremmo stupirci, invece, del fatto che sulla Terra è quasi tutto in stato solido, liquido o gassoso.

Il sole è una palla di plasma

Altri plasmi che incontriamo nel quotidiano sono quelli di origine artificiale. Le luminarie, per esempio, come le lampade al neon. Le TV a plasma funzionano grazie a tante piccole cellette di plasma, come tante piccole lampade.
Altri tipi di plasma sono utilizzati nei processi industriali, grazie alle loro proprietà.


Plasmi freddi

I plasmi freddi sono impiegati in una moltitudine di applicazioni. Il termine "freddo" si riferisce al fatto che gli ioni e le specie neutre presenti in plasma sono lenti rispetto agli elettroni. In questo ambiente si formano delle specie che, a seconda del gas immesso inizialmente nel sistema, avranno proprietà specifiche. Per esempio, i plasmi freddi sono impiegati nei processi di modifica superficiale di materiali, senza l'uso di sostanze inquinanti come negli analoghi processi chimici.
In ambito biomedico, esistono delle sperimentazioni di plasmi freddi per agevolare la coagulazione del sangue (nel caso di interventi di microchirurgia), decontaminazione e sterilizzazione da biofilm e, in generale, materiale biologico indesiderato.


Plasmi termonucleari

I plasmi caldi, molto caldi, possono raggiungere temperature di milioni di gradi, come quella all'interno del Sole. È proprio il plasma, quindi, l'ambiente ideale in cui innestare la fusione nucleare, uno dei due modi di trarre energia dai nuclei atomici. Il primo, naturalmente, è la fissione, che fornisce energia alle attività umane dal secondo dopoguerra. La fusione, al contrario, teorizzata ancor prima della fissione (più complicata dal punto di vista della fisica nucleare), non ha ancora visto la realizzazione del primo reattore. Attualmente si stanno esplorando due strade diverse, ma non è ancora chiaro quale darà i suoi frutti. Sussistono in entrambi i casi sia problemi fisici aperti sia difficoltà tecnologiche, il cui superamento è purtroppo ancora lontano.


Addendum fantascientifico

Ci sono molti modi in cui i plasmi possono entrare nella SF.
Prima di tutto, se si vuole parlare di plasmi astrofisici. Stephen Baxter ha firmato due romanzi in cui il lettore entra nel Sole, descrivendo dettagliatamente i diversi strati che lo compongono: un viaggio affascinante e indimenticabile!
Nella serie tv Stargate Universe (terza serie tratta dal film Stargate) a un certo punto compare una torcia a plasma. Questa tecnologia esiste, e si tratta di uno strumento in grado di incidere e tagliare materiali particolarmente resistenti. Esistono anche progetti di armamenti a plasma. Sono sostanzialmente la stessa cosa e consistono nell'espulsione di un proiettile di plasma anziché una "fiamma".
I razzi elettrici, o plasma rockets, al posto dei tradizionali carburanti di tipo chimico sfruttano alcune proprietà del plasma (che eviterò di spiegare). Un razzo elettrico non decollerà da terra, non riuscendo a sviluppare la spinta necessaria, ma nello spazio può raggiungere velocità superiori rispetto ai razzi convenzionali. Con una minore quantità di carburante, i razzi elettrici mantengono un'accelerazione costante, l'ideale per sonde che vaghino qua e là nell'esplorazione del sistema solare.


Note

(*)
L'energia del sistema è data dalla somma di un termine dovuto ai legami, o più in generale al potenziale, e uno dovuto al moto delle particelle.
L'energia di legame ha valore negativo, dal momento che è necessario cedere energia al sistema per rompere un legame. Al contrario, l'energia cinetica è sempre definita positiva, essendo l'energia che una particella ha a disposizione per andarsene a spasso.

(**)
Sì, c'è anche la materia oscura, che è molto di più di quella che costituisce l'universo visibile, ma per oggi non ci interessa.