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 gasJ. Townsend The theory of ionization of gases by collision (London, Constable, 1910) (capitolo 3, pp. 55-60 per la rigidità dielettrica di gas) coincide con la rottura dielettrica del materiale, quando il materiale è un gas. Infatti, un gas neutro è dielettrico, ma se sottoposto ad un campo elettrico sufficientemente elevato si può ionizzare e pertanto diventare conduttore.
Il campo elettrico massimo al quale può resistere un gas senza entrare in conduzione è detto rigidità dielettrica del gas, in analogia ai materiali solidi: quando si ha la scarica si dice anche che la sua rigidità dielettrica è stata perforata. Ciò accade ad esempio nel caso dei fulmini o dei tubi al neon.
Metodi di ionizzazione
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 (scariche in corrente continua); immettendo delle onde radio a frequenza opportuna (scariche in radiofrequenza); come nel punto precedente, ma utilizzando delle microonde (scariche a microonde).
Generalmente, dal punto di vista microscopico questi metodi per formare una scarica (o plasma) sono tutti equivalenti: viene fornita dell'energia agli elettroni legati ai 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.
La condizione iniziale è che gli elettroni abbiano un'energia cinetica maggiore del potenziale di ionizzazione dell'elemento usato per la scarica. Poiché il potenziale di prima ionizzazione (cioè, l'energia necessaria per strappare il primo elettrone al nucleo) è compreso fra 5 e 25 eV (vedi figura), questo valore fornisce la soglia in energia necessaria agli elettroni per ionizzare il gas. I gas nobili hanno un'energia di ionizzazione maggiore; è da tenere presente comunque che per i gas biatomici, come l'azoto o l'ossigeno, deve essere inclusa anche l'energia necessaria per spezzare le molecole: la conseguenza è che la tensione di breakdown (vedi sotto) è generalmente più alta per questi ultimi.
Il metodo più semplice e comune per ionizzare un gas è di accelerare gli elettroni naturalmente presenti anche in un gas neutro con un campo elettrico: ci concentreremo pertanto nel seguito sulle scariche in corrente continua, che sono le più facili da realizzare e le più studiate in laboratorio, anche per l'ampio spettro di applicazioni (elettrodeposizione, xerografia, sputtering industriale, ecc.). Anche se verranno trattati fenomeni generali di una scarica gassosa, come il breakdown elettrico, la transizione da glow ad arco, ecc., è comunque da tenere presente che questi aspetti sono stati studiati (sin dalla fine dell'Ottocento) su un particolare dispositivo. Tuttavia, uno degli aspetti principali delle scariche nei gas è che esse possono assumere una varietà enorme di differenti forme per effetto della grande varietà di parametri in gioco, come la natura del gas, il modo in cui la tensione viene applicata, e la natura delle condizioni al contorno (materiale e dimensioni degli elettrodi, presenza di punte, natura delle superfici esposte, distanza fra gli elettrodi, forma e dimensione del tubo di scarica...).
Questo non esclude poi che ci sia un'ampia classe di scariche nei gas che avvengono in situazioni in cui una tensione si sviluppa spontaneamente (e quindi non è indotta da un circuito esterno) per attrito, scambio carica, nebbie, venti, onde, spray, eccetera. Nella gran parte di queste situazioni, le condizioni al contorno sono mal definite, e spesso sono costituite da materiali isolanti, e non da elettrodi come nelle scariche in corrente continua. Alcuni di questi tipi di scariche sono stati studiati (per esempio, i fulmini), ma le scariche che avvengono perlopiù casualmente fra due superfici isolanti, come avviene comunemente in xerografia, o negli ancor più comuni corto circuiti nei circuiti elettrici, hanno ricevuto comparativamente minor attenzione.
Scariche gassose in corrente continua
Le scariche gassose in un tubo rettilineo (in vetro o quarzo) furono le prime ad essere studiate, alla fine dell'Ottocento: esse erano note come tubi di Crookes o tubi di Geissler. Lo schema dell'apparato è molto semplice, e consta di tre elementi: un tubo rettilineo (camera da vuoto), tenuto in vuoto da una pompa; un circuito elettrico, collegato a due elettrodi posti alle due estremità del tubo; una bombola di gas, con una valvola a spillo per controllare la portata del gas.
La necessità di tenere il tubo in vuoto nasce dal fatto che, come vedremo, è più facile ionizzare un gas a bassa pressione: la pressione tipica nei tubi di scarica varia fra 10−2 e 1 mbar (7,6 × 10−3 e 0,76 torr). La tensione di innesco (breakdown) dipende dal prodotto della pressione per la distanza degli elettrodi (legge di Paschen). Vi è un prodotto ideale tra pressione e distanza tra gli elettrodi per cui la tensione di innesco ha un minimo. Infatti se il vuoto è troppo elevato a meno di avere distanze enormi tra gli elettrodi la probabilità di collisione di un elettrone con il gas residuo è così bassa che non avviene nessuna scarica. Per ragioni opposte se la pressione è troppo alta la probabilità di collisione è troppo elevata e gli elettroni non acquistano sufficiente energia tra un urto ed il seguente, a meno di trovarsi in un campo elettrico molto elevato.
In figura è riportata la curva caratteristica di una scarica di Neon in un tubo rettilineo: la pressione del gas è 1 torr, nel tubo sono presenti due elettrodi a disco di 2 mm di diametro, separati di 50 cmC. F. Gallo, Coronas and Gas Discharges in Electrophotography: A Review, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.IA-13, No. 6, p.739 (1975); E.Nasser, Fundamentals of Gaseous Ionization and Plasma Electronics (Wiley Series in Plasma Physics), April 7, 1971, ISBN 0-471-63056-X. Al variare della tensione applicata, la scarica attraversa una serie di regimi successivi, cioè: La scarica oscura; La scarica a bagliore (glow); L'arco (o scintilla).
In figura i vari regimi sono indicati dalle lettere maiuscole, e sono: A. impulsi casuali di corrente (raggi cosmici) B. saturazione della corrente C. scarica a valanga di Townsend D. scarica auto-sostenuta di Townsend E. regione instabile (tratteggio): scarica a corona F. glow (scarica a bagliore) sub-normale G. glow "normale" H. glow "anormale" I. regione instabile (tratteggio): transizione glow-arco J. arco non-termico K. arco termico
I tratti A-D fanno parte della cosiddetta "scarica oscura": benché ci sia produzione di elettroni liberi, e quindi ionizzazione, il flusso di elettroni non è così grande da permettere la formazione di una corrente apprezzabile (corrente < 10 µA). Di conseguenza, il "plasma" non emette ancora luce.
I tratti F-H fanno parte della scarica a "bagliore" (glow): il plasma emette una tenue luminescenza che occupa quasi tutto il volume del tubo, dovuta perlopiù all'emissione di radiazione da parte di atomi neutri eccitati.
I tratti I-K fanno parte dell'arco: c'è grande emissione di radiazione, e la scarica si concentra sotto forma di uno stretto canale, che occupa solo il centro del tubo.
Qui di seguito tratteremo in dettaglio questi tre principali regimi della scarica gassosa rettilinea.
La scarica oscura I fenomeni che determinano la ionizzazione di un gas in un tubo furono studiati dal fisico inglese John Sealy Townsend intorno al 1897: il regime in cui questi fenomeni sono validi è detto regime della scarica oscura, o scarica di TownsendMichael A. Lieberman, Alan J. Lichtenberg Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, WileyBlackwell; 2nd Edition (13 May 2005), ISBN 0-471-72001-1, p.544 e segg..
Le correnti più basse (punto A della curva caratteristica) sono dell'ordine del pA 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 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 I0. 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 contatori Geiger: il tratto A - B viene pertanto chiamato talvolta anche regime Geiger.
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 scarica a valanga, o di Townsend (tratto B - C della curva caratteristica). Townsend riuscì, dopo studi sistematici, a caratterizzare quantitativamente la corrente prodotta in una scarica a valanga, ottenendo la relazione:
dove I0 è la corrente di saturazione del regime Geiger, d è la distanza ("gap") fra i due elettrodi (in cm), e α è detto primo coefficiente di Townsend. Esso rappresenta il numero di elettroni prodotti per unità di lunghezza del tubo di scarica.
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 elastici e 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. Innanzitutto, α è inversamente proporzionale al cammino libero medio dell'elettrone che urta con gli atomi neutri:
Inoltre, esso obbedirà alla legge di Saha per la ionizzazione della specie di gas contenuta nel tubo:
dove si tiene conto che l'energia dell'elettrone viene fornita dal campo elettrico lungo un cammino libero medio, . Unendo le due relazioni scritte si ottiene:
A questo punto, si tiene conto che il libero cammino medio è inversamente proporzionale alla pressione nel tubo di scarica, e quindi: