Ionizzazione dei gas: differenze tra le versioni
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[[File:Argon discharge electrode.jpg|upright=1.4|thumb|Fotografia di un [[elettrodo]] durante una [[scarica a bagliore]] in [[argon]]. La tenue luminosità è dovuta all'emissione di luce da parte di elettroni legati agli atomi neutri che schermano l'elettrodo.]]
La '''[[ionizzazione]] di un [[gas]]''' è un processo per il quale un gas, inizialmente neutro, viene ionizzato facendo passare una [[corrente elettrica]]. È anche noto come ''scarica elettrica'', o (se la corrente che fluisce nella scarica è molto elevata) ''arco elettrico''. Il fenomeno della scarica nei gas<ref>J. Townsend ''[http://www.archive.org/details/theoryofionizati00townrich The theory of ionization of gases by collision]'' (London, Constable, 1910) (capitolo 3, pp. 55-60 per la rigidità dielettrica di gas)</ref> coincide con la
Il campo elettrico massimo al quale può resistere un gas senza entrare in conduzione è detto [[rigidità dielettrica]] del gas, in analogia ai materiali [[solido|solidi]]: quando si ha la scarica si dice anche che la sua rigidità dielettrica è stata ''perforata''. Ciò accade ad esempio nel caso dei [[fulmine|fulmini]] o dei [[lampada al neon|tubi al neon]].
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[[File:Ioniz.gif|upright=2|thumb|Energia di prima ionizzazione (in [[elettronvolt]]) come funzione del [[numero atomico]]. Come si vede, essa è compresa fra 5 e 25 [[elettronvolt]].]]
In laboratorio, una piccola quantità di gas può essere riscaldata e ionizzata principalmente attraverso tre metodi:
* facendoci passare una corrente, per esempio applicando una tensione fra due elettrodi (''
* immettendo delle onde radio a frequenza opportuna (''
* come nel punto precedente, ma utilizzando delle [[microonde]] (''
Generalmente, dal punto di vista microscopico questi metodi per formare una scarica (o ''[[plasma (fisica)|plasma]]'') sono tutti equivalenti: viene fornita dell'energia agli [[elettroni]] legati ai [[nucleo atomico|nuclei]], che a un certo punto si liberano dal legame col nucleo. Elettroni liberi collidono con altri atomi neutri, liberando ancora più elettroni, e il processo poi procede a cascata fino a un equilibrio, che dipende unicamente dalla [[pressione]] del gas e dal [[campo elettrico]] applicato.
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Le correnti più basse (punto '''A''' della curva caratteristica) sono dell'ordine del [[pico (prefisso)|p]][[Ampere|A]] o anche meno, e sono sotto forma di impulsi casuali ("burst") di corrente, dovuti a sorgenti esterne, come [[radioattività]] naturale e [[raggi cosmici]]. Il campo elettrico è però così basso, che questi elettroni non possono generare altri elettroni per effetto di ionizzazioni successive: questa è la condizione standard di tutti i gas neutri, aria compresa, dove esiste una piccolissima percentuale ionizzata.
Se viene applicata tensione agli elettrodi, gli elettroni cominciano ad essere emessi dall'elettrodo negativo ([[catodo]]), inizialmente per [[fotoionizzazione|fotoemissione]]. Di conseguenza, la corrente aumenta, come mostrato nei tratti '''A - B''' della curva caratteristica: aumentando ancora la tensione, si raggiunge presto una situazione di equilibrio, in cui gli elettroni prodotti (quelli naturali + quelli emessi dal catodo) sono rapidamente dispersi nella regione del tubo compresa fra i due elettrodi ("gap"). La corrente raggiunta è detta ''corrente di saturazione'', ed è chiamata ''I<sub>0</sub>''. Poiché il valore della corrente di saturazione dipende dal modo con cui dall'esterno si è aumentata la tensione, e dalla quantità di elettroni iniziali, ci possono essere molte curve come la '''A - B''', con differenti valori di corrente di saturazione (per esempio, come in figura i tratti '''A - B''', '''A' - B'''', eccetera). Questa proprietà della parte iniziale della curva caratteristica di un tubo di scarica viene utilizzata per esempio nei [[contatore Geiger|contatori Geiger]]: il tratto '''A - B''' viene pertanto chiamato talvolta anche
[[File:TownsendAvalanche.png|thumbnail|Effetto di ionizzazione a valanga da parte di elettroni emessi dal catodo (in basso).]]
Aumentando ancora la tensione, gli elettroni liberi vengono accelerati sufficientemente da potere collidere con atomi neutri, producendo nuovi elettroni liberi (''ionizzazione per collisione''). L'elettrone iniziale, più quello emesso per collisione, possono venire riaccelerati, per collidere con altri atomi neutri. Questo produce un effetto a valanga, noto come
: <math> I = I_0 \, e^{\alpha d} \, . </math>
dove ''I<sub>0</sub>'' è la corrente di saturazione del regime Geiger, ''d'' è la distanza ("gap") fra i due elettrodi (in cm), e α è detto
Calcolare α in base a principi primi è sostanzialmente impossibile: esso dipende dalle sezioni d'urto di tutti i processi in gioco (emissione da parte del catodo, urti [[urto elastico|elastici]] e [[urto anelastico|anelastici]] degli elettroni con gli ioni e con gli atomi neutri, scambio carica e [[ricombinazione]]). Tuttavia è possibile dare una forma funzionale di α in base ai parametri essenziali in gioco.
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[[File:Electric glow discharge schematic.png|upright=1.8|thumb|Schema di una scarica a bagliore. I principali elementi sono: (a) L'[[anodo]] e il [[catodo]] alle estremità del tubo; (b) la zona oscura di Aston; (c) il bagliore catodico; (d) la zona oscura del catodo; (e) il bagliore negativo; (f) la zona oscura di Faraday; (g) la colonna positiva; (h) il bagliore anodico (i); la zona oscura dell'anodo.]]
Finora, anche se la tensione applicata ai due elettrodi è capace di produrre ionizzazione a valanga, il processo dipende ancora dal numero di elettroni prodotti al catodo, cioè in formule da <math>\Gamma_e(0)</math>, flusso di elettroni a ''z=0'', che viene controllato dall'esterno.
La vera
Allora imponiamo che il flusso di elettroni al catodo, cioè a ''z=0'', sia determinato dall'emissione secondaria, cioè sia proporzionale al flusso di ioni presente sempre al catodo:
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:<math> \Gamma_e(0) = \gamma \Gamma_i(0) \, . </math>
Il coefficiente γ regola l'emissione secondaria di elettroni da parte di ioni presenti al catodo, ed è talvolta chiamato
Se c'è vera rottura dielettrica, gli elettroni devono riuscire a chiudere il circuito, cioè a raggiungere l'anodo, estremità ''z=d'' del tubo, senza disperdersi nel gap fra catodo e anodo. Possiamo allora scrivere un'equazione di bilancio della carica, in cui il flusso di elettroni all'anodo ''z=d'' meno il flusso di elettroni al catodo ''z=0'' deve eguagliare il flusso di ioni che colpisce il catodo a ''z=0'' meno il flusso di ioni emessi dall'anodo a ''z=d''
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Nella transizione da glow ad arco (tratto '''I'''-'''J''' della curva caratteristica) gioca invece un ruolo essenziale l'[[emissione termoionica]] dal catodo: il catodo si scalda molto per collisione con gli [[ione|ioni]] e per la dissipazione di potenza che si ha nello strato catodico. L'aumento notevole del flusso di elettroni dato dall'emissione termoionica causa una seconda transizione (simile a quella della glow), in cui la tensione applicata ai capi del tubo diminuisce ancora (tratto '''J'''-'''K''' della curva caratteristica). Conseguentemente la [[corrente elettrica]] aumenta di molto, dalle decine a migliaia di [[Ampere]].
Il regime dell'arco si suddivide a sua volta in
Il regime dell'arco è caratterizzato da una [[resistenza elettrica]] "positiva" (<math>dV/dI >0</math>), e segue la [[legge di Child-Langmuir]] <math> J \propto V^{3/2}</math> (che è largamente determinata dall'emissione termoionica del catodo)<ref>{{en}} R. Goldston e P.H.Rutherford, ''Introduction to plasma physics'', Institute of Physics Publishing, Philadelphia, 1995, pp.3-7. ISBN 0-7503-0183-X.</ref>.
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