Vuoto (fisica)

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In fisica, il vuoto è l'assenza di materia in un volume di spazio. Un vuoto parziale è espresso in unità di pressione.

Indice

L'unità di misura SI della pressione è il pascal (abbreviato con Pa). È talvolta misurato anche in termini di torr o millimetri di mercurio (mmHg), usando la scala barometrica, o in rapporto alla pressione atmosferica media usando il bar. L'antitesi del vuoto, che è tecnicamente inottenibile, è chiamata pieno. La condizione di vuoto perfetto non è ottenibile in laboratorio e non è mai stata osservata in natura; si ritiene che gran parte dello spazio intergalattico consista di un vuoto quasi perfetto, con un piccolo numero di molecole per metro cubo. Inoltre, anche supponendo che in una certa regione dello spazio fisico non ci fossero molecole, la presenza dei campi (gravitazionale, elettromagnetico, ecc.) comporterebbe comunque l'assenza di un vuoto completo in tale regione dello spazio.[1]

Il concetto di "vuoto" spesso non rispecchia la stessa condizione fisica reale a seconda dell'ambito in cui è studiato (ad esempio termodinamica, meccanica quantistica o ingegneria). In particolare, quando si parla di "grado di vuoto" (nel senso di porosità) e di "pompa a vuoto" il concetto di vuoto è differente: nel primo caso il vuoto è una parte dello spazio pertinente al solido stesso, ma non necessariamente priva di materia (ad esempio può essere riempito da un fluido, come l'aria o l'acqua), mentre nel secondo caso il vuoto consiste in un limite termodinamico a cui ci avviciniamo al diminuire della pressione. Quando inoltre si parla di "sottovuoto" ci si riferisce ad una pressione minore dell'atmosfera, ma non necessariamente nulla.

Gradi di vuoto [modifica]

Convenzionalmente si definiscono diversi "gradi di vuoto",[2] ciascuno utilizzato in differenti applicazioni pratiche. Per ottenere, mantenere e misurare ciascuno di essi in generale sono necessarie differenti sistemi di pompaggio e materiali per la costruzione delle camere da vuoto. Si possono definire i seguenti gradi di vuoto:

Una pompa da vuoto.

Di seguito sono riportati alcuni esempi pratici dei diversi regimi di vuoto:

Creare il vuoto [modifica]

Quando si crea un vuoto parziale, la materia presente nel volume che è evacuata, scorre in modo differente a differenti pressioni, in base alle leggi della fluidodinamica. Inizialmente può essere usata una pompa a vuoto primaria per rimuovere il materiale, poiché le molecole interagiscono l'una con l'altra e spingono quelle a loro vicine in quello che è chiamato flusso viscoso. Quando la distanza tra le molecole aumenta, le molecole interagiscono più con le pareti del recipiente che con le altre molecole, e il pompaggio tradizionale (con pompe primarie) non è più efficace.

Una pompa turbomolecolare.

In questo stadio, il sistema è entrato in uno stato chiamato flusso molecolare, dove la velocità di ogni molecola è praticamente casuale. I metodi per rimuovere il gas rimanente comprendono:

A pressioni estremamente basse, si verifica nel tempo il fenomeno del rilascio di gas (degasaggio) da parte del recipiente a vuoto. Esistono inoltre altri fenomeni che contrastano la diminuzione della pressione tendendo ad introdurre nuove molecole nel recipiente da vuoto, fra le quali vi sono le microperdite, la permeazione, l'introduzione di gas di processo e la scarsa conduttanza. Anche se si genera un vuoto molto spinto in un contenitore sigillato ermeticamente, non c'è garanzia che la bassa pressione si conservi nel tempo, se non si considerano questi fenomeni. Il rilascio di gas è più alto ad alte temperature; e anche i materiali che a prima vista non sembrano assorbenti, liberano del gas.

Il vapore acqueo è un componente primario del gas liberato, anche in recipienti di metallo duro come l'acciaio inossidabile o il titanio.

Il rilascio di gas può essere ridotto con l'essiccazione prima di fare il vuoto.

I recipienti rivestiti con materiale altamente gas-permeabile come il palladio, che è come una spugna che trattiene l'idrogeno, comportano importanti problemi di rilascio di gas.

Per questi motivi spesso per creare gli impianti da vuoto si utilizzano particolari materiali da vuoto, studiati in modo da ridurre il più possibile i fenomeni che tendono ad aumentare la pressione nella camera da vuoto.

Per ottenere il vuoto molto spinto, i recipienti vengono riscaldati a qualche centinaio di gradi °C in modo da anticipare il rilascio del gas. I gas liberati dal recipiente vengono tolti con pompe finché la maggior parte delle molecole di gas sono state rimosse, e dopo la temperatura può essere nuovamente abbassata. Il processo per liberare il gas non sarebbe altrettanto efficace se fosse eseguito a temperatura ambiente.

Le pressioni più basse attualmente ottenibili in laboratorio sono di circa 10−13 Pa.

Il vuoto quantistico [modifica]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Effetto Casimir, Energia del vuoto, Energia di punto zero, Falso vuoto e Mare di Dirac.

La Teoria quantistica dei campi ci rivela che neanche un vuoto ideale, con una pressione misurata di zero Pa, è veramente vuoto. Un motivo è che le pareti della camera a vuoto emettono luce in forma di radiazione del corpo nero: luce visibile se sono alla temperatura di migliaia di gradi, luce infrarossa se più fredde. Questa "zuppa" di fotoni sarà in equilibrio termodinamico con le pareti, e si può dire di conseguenza che il vuoto ha una particolare temperatura. Ancor più importante, nel vuoto sono presenti fluttuazioni quanto-meccaniche, che lo rendono un ribollire di coppie di particelle virtuali; queste, protette dal principio di indeterminazione di Heisenberg, nascono e si annichiliscono in continuazione. Questo fenomeno quantistico potrebbe essere responsabile del valore osservato della costante cosmologica.

Secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg, energia e tempo, al pari di altre due grandezze come posizione e velocità, non possono essere misurate con un'accuratezza infinita.

Se lo spazio vuoto non avesse alcuna forma di energia, generata da forze o meglio da campi di alcun tipo, né gravitazionale né elettromagnetica, per una particella che si trovasse nello spazio vuoto sarebbe possibile determinare una velocità e una energia entrambe nulle, con un errore pari a zero, in violazione del principio, che porta a ipotizzare l'esistenza di fluttuazioni quantistiche nello spazio vuoto, che generano una quantità minima di indeterminazione.

Il vuoto è interpretato dalla meccanica quantistica con il consueto binomio onda-particella. Il vuoto è pensato come un equilibrio dinamico di particelle di materia e di antimateria in continuo annichilimento.

Come per le onde in genere, sia longitudinali che trasversali, per spiegare alcuni fenomeni fisici è necessario ipotizzare una natura ondulatoria, per altri, che esista una massa.

Le particelle nel vuoto vibrano a qualsiasi lunghezza d'onda in uno spazio infinitamente esteso; in uno spazio limitato, ad esempio se si introducono due pareti, vibrano però solo a lunghezza d'onda che sono multipli e sottomultipli interi della distanza fra le pareti. In questo caso all'esterno esiste, quindi, una maggiore energia e si può misurare una forza-pressione che tende ad avvicinare le pareti (l'effetto Casimir).

Le particelle sono dette virtuali perché normalmente non producono effetti fisici; in uno spazio limitato, tuttavia, vi sono delle grandezze misurabili.

Gli esperimenti [modifica]

Verso il 1650 Otto von Guericke inventò la sua famosa pompa da vuoto, cominciando a stupire l'Europa con i suoi esperimenti pubblici: celebre l'esperienza degli emisferi di Magdeburgo (1654), nel quale due pariglie di cavalli non riuscivano a separare due emisferi di metallo accostati al cui interno era stato fatto il vuoto. In un altro esperimento, condotto nello stesso anno, venti persone non riuscivano a trattenere un pistone che si ritirava se collegato ad una camera in cui era stato fatto il vuoto: si tratta del primo esempio di motore a cilindro e pistone.

Quadro rappresentante gli esperimenti di Boyle del 1660 sul vuoto.

Robert Boyle perfezionò la macchina da vuoto di von Guericke e compì nuovi esperimenti, che descrisse in uno scritto del 1660. Qualche anno più tardi Boyle determinò per via sperimentale la legge dei gas che porta il suo nome e che stabilisce la proporzionalità inversa tra volume e pressione di un gas per trasformazioni isoterme. Alla pompa da vuoto lavorarono tra gli altri anche Christiaan Huygens e Robert Hooke. In quegli anni continuarono inoltre le osservazioni sulle variazioni di pressione atmosferica: nel 1660 von Guericke osservava le fluttuazioni nel suo grande barometro ad acqua ed un'improvvisa caduta gli permise di prevedere in anticipo l'arrivo di una tempesta. Nel 1686 l'astronomo Edmond Halley riuscì a formulare una formula attendibile per la determinazione dell'altitudine in base alla variazione di pressione. Nel 1680 Huygens propose di sfruttare il vuoto per ricavare energia dalla pressione atmosferica. Denis Papin, che lo aveva assistito negli esperimenti, nel 1687 è il primo a realizzare una macchina che sfrutta il vapore per muovere un pistone. Nel 1705 il fisico inglese Francis Hawksbee consolida la scoperta di von Guericke che il suono non si propaga nel vuoto e in seguito, nel 1709, realizza la prima pompa da vuoto a due cilindri. Nel 1738 Daniel Bernoulli pubblica un importante trattato di idrodinamica, nel quale tra l'altro avanza alcune fondamentali ipotesi che saranno riprese nell'Ottocento nella cosiddetta teoria cinetica dei gas.

Età contemporanea [modifica]

Tubo a vuoto.

Lo sviluppo delle scienze fisiche portò alla definizione rigorosa delle leggi dei gas, e la necessità di apparecchiature per la produzione (pompe da vuoto) e la misura (vacuometri) del vuoto diede un forte impulso alla ricerca tecnica. Verso la metà dell'Ottocento l'introduzione di nuovi tipi di pompe permise di ottenere alti vuoti e di studiare, ad esempio, i fenomeni di ionizzazione dei gas in condizioni di estrema rarefazione. Lo studio dei raggi catodici, prodotti nei tubi da vuoto, consentì di porre le basi per la determinazione del rapporto tra massa e carica dell'elettrone. Negli stessi anni fu enunciata la teoria cinetica dei gas.

Nei primi anni del XX secolo vennero sviluppati diversi tipi di vacuometro, che consentirono di misurare pressioni fino a 10−1 Pa. Nel 1909 è anche costruito il primo vacuometro a ionizzazione, che arriva a misurare fino a 10−6 Pa. Dopo la seconda guerra mondiale furono apportati ulteriori miglioramenti ai vacuometri a ionizzazione, ed è ora possibile misurare vuoti estremi, anche superiori a 10−12 Pa.

Le spinte principali per il miglioramento delle tecnologie del vuoto provengono dall'industria e dalla ricerca. Le applicazioni pratiche sono numerosissime e nei più diversi campi: si sfrutta il vuoto in tubi a raggi catodici, lampadine, acceleratori di particelle, industria metallurgica, industria alimentare, industria aerospaziale, impianti per la fusione nucleare controllata, microelettronica, scienza delle superfici, ecc.

Note [modifica]

  1. ^ Si veda la voce "Effetto Unruh" per un'ulteriore chiarificazione del concetto di vuoto, per come esso è inteso in fisica).
  2. ^ Il termine grado di vuoto assume anche il significato di porosità. Qui invece si fa riferimento a delle pressioni via via decrescenti, per cui non bisogna confondere i due significati, completamente differenti.

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