Nuova rubrica per la nostra blogzine e nuovo collaboratore sulle nostre pagine virtuali. Si parte da oggi a parlare di argomenti scientifici e lo facciamo con Marco Stabile, detto Argonauta Xeno in Rete. Benvenuto Marco!
Gli stati della materia
Chiunque abbia dimestichezza con la filosofia naturale degli antichi Greci si ricorda che vi sono quattro elementi: terra, acqua, aria e fuoco. Questa suddivisione è parsa così naturale ai Greci che ancora oggi possiamo usarla come paradigma per comprendere la natura.
Sappiamo infatti che la materia è presente, nel quotidiano, in tre fasi, o stati: solido, liquido e aeriforme. Un solido è qualcosa che ha forma e volume propri, un liquido ha volume ma assume la forma del contenitore, mentre il gas non ha neppure volume proprio. Da un punto di vista microscopico, la differenza fra stati è data dal bilancio energetico tra l’energia cinetica, prevalente in un gas dove le particelle si muovono interagendo pochissimo reciprocamente, e i legami tra atomi o molecole, che in un solido sono prevalenti. Si può dire, semplificando, che la transizione tra uno stato all’altro si ha quando aumenta o diminuisce l’energia a disposizione delle particelle. Per esempio, quando cediamo calore a una pentola d’acqua, portiamo il liquido a ebollizione.
Verso il quarto stato
È lecito chiedersi cosa succeda quando si cede ulteriore energia a una sostanza già allo stato aeriforme.
Supponiamo di riscaldare un gas. Le particelle acquisiscono una maggiore energia cinetica, che riescono a dissipare solo attraverso gli urti con altre particelle (rari) o con le pareti. A un certo punto, l’atomo o la molecola avrà abbastanza energia affinché uno dei suoi elettroni si liberi dall’orbitale in cui è confinato. Si crea dunque una coppia ione-elettrone e si parla di gas ionizzato. La differenza fondamentale rispetto a un gas ordinario è nella presenza di cariche elettriche.
Possiamo chiederci se questo sia un plasma.
“Un plasma è un gas elettricamente quasineutro, costituito da particelle cariche e particelle neutre, che esibisce un comportamento collettivo.“
Questa è una definizione di plasma.
“Quasineutro” significa che il plasma è globalmente neutro, nonostante al suo interno siano presenti cariche elettriche: gli squilibri di carica esistono su scala piccola rispetto alle dimensioni del sistema considerato. “Collettivo” significa che il comportamento di una particella non è determinato solo dalla sua energia, come in un gas, ma è legato a quello delle altre. Esempi di fenomeni collettivi sono l’oscillazione delle cariche a una certa frequenza, onde, instabilità.
Non basta quindi un gas ionizzato, perché un plasma deve soddisfare dei requisiti, legati alla densità e all’energia delle particelle.
Così come gli antichi Greci, la fisica moderna scopre il suo quarto elemento. Noto dal ’700 ma considerato poco più di una curiosità, è negli anni ’20 che Irving Langmuir effettuò i primi studi approfonditi, che lo portarono al Nobel.
Plasmi naturali e artificiali
Non vorrei dare l’idea che i plasmi siano estranei alla quotidianità. La vita sulla Terra è resa possibile grazie al Sole, che è un plasma. Fenomeni come fulmini e aurore sono plasmi anch’essi. Circa il 99% della materia presente nell’universo, tralasciando la materia oscura, è in stato di plasma.
Esistono anche plasmi artificiali, come le lampade a neon e le TV a plasma. Altri tipi di plasma sono utilizzati nei processi industriali, grazie alle loro peculiari proprietà.
L’utilizzo più diffuso dei plasmi è l’illuminazione. I plasmi industriali sono impiegati in processi di vario genere, dalla modifica superficiale dei materiali alla decontaminazione e sterilizzazione da biofilm batterici. Molti processi sono ottenuti anche con tecniche chimiche, magari su scala diversa o senza l’uso di solventi e altre sostanze inquinanti. La prossima volta che cercano di vendervi occhiali (o parabrezza) idrorepellenti, potete chiedere se sono prodotti con trattamenti a plasma!
Le applicazioni più suggestivi, però, sono altre. Come nel Sole, in un plasma termonucleare, in cui la temperatura raggiunge milioni di gradi, è possibile innescare la fusione nucleare. Energia quasi illimitata, senza il problema delle scorie radioattive che si ha nei reattori a fissione. La fusione, tuttavia, è ancora lontana, anche se futuribile. Attualmente si stanno percorrendo due strade diverse e non è chiaro quale darà prima i suoi frutti. La fattibilità, a scanso di equivoci, è già stata dimostrata; bisogna però risolvere le difficoltà tecnologiche.
Addendum fantascientifico
I plasmi nella fantascienza compaiono principalmente grazie a reattori o pile a fusione, una delle principali fonti energetiche della fantascienza classica.
Esistono anche applicazioni più pratiche. La torcia a plasma, per esempio, già esiste e può essere utilizzata per incidere o tagliare materiali particolarmente resistenti. Non così diversa dalla torcia come si potrebbe pensare, un’arma a plasma consiste nell’espulsione di un proiettile di plasma, molto pericoloso a causa delle sue proprietà abrasive e alla sua velocità.
I razzi a plasma, anche detti razzi elettrici o ionici, sono vettori di diverso design che sfruttano alcune proprietà del plasma. Diversamente dai razzi convenzionali, non consentono di uscire dall’atmosfera. Tuttavia, nello spazio, grazie a una spinta costante e a un minor consumo, permettono di raggiungere velocità maggiori e di modificare più facilmente la rotta. Già oggi alcune sonde sono così equipaggiate e non è escluso che sia il futuro della navigazione spaziale.