Più di due miliardi
di gradi!
L'articolo di Malcom Haines
Pubblicato il
24 febbraio 2006 su Physical Review Letters
Aggiornato il 16 luglio 2006 (
dati in fondo alla curva di aumento della corrente nella Z-machine )
Aggiornamento del 18 marzo 2008. A seguito di un articolo pubblicato sulla rivista Science et Avenir
Per i non addetti ai lavori:
I lettori chiedono se queste temperature ioniche superiori a due miliardi di gradi siano effettivamente state misurate. La risposta è sì. Tuttavia, un fenomeno sorprendente era già stato osservato fin dal 1998 negli esperimenti di compressione del plasma condotti con la Z-machine. Questi esperimenti avevano riguardato configurazioni diverse. Ad esempio, quando la "gabbia da canarino" implodiva, si inviava un "gas puff", una "boccata di gas", proprio al centro, che veniva così compressa. L'emissione di raggi X permetteva di misurare la temperatura elettronica. Un plasma è un miscuglio di "due specie": gli ioni, pesanti, e gli elettroni, leggeri. In un "plasma di ferro", in ferro ionizzato, i nuclei di
ferro
(56 nucleoni, 26 protoni) sono 100.000 volte più pesanti degli elettroni
(i nuclei sono costituiti da "nucleoni" di masse molto simili: protoni ed elettroni. Un elettrone è 1850 volte più leggero di un protone).
Anche un tubo al neon contiene "queste due specie", elettroni e ioni di neon (anche se in questo caso questi non sono stati completamente privati del loro "mantello elettronico"). Quando il tubo è acceso, contiene un miscuglio "bitemperatura", dove il gas formato dagli atomi e dagli ioni di neon rimane freddo (potete toccarlo con la mano), ma dove il "gas di elettroni" è molto più caldo, portato a 10.000°C. Perché non sentite questo calore con la mano? Perché gli elettroni, poverini, sono troppo poveri per trasmettervi energia, calore. Tuttavia, hanno abbastanza energia per eccitare, per collisioni, il rivestimento fluorescente che riveste l'interno del tubo. È per questo che li chiamiamo
tubi al neon
. La fluorescenza è la capacità di assorbire radiazioni e riemetterle a una frequenza diversa. Così, la fluoresceina assorbe la radiazione solare e la riemette in verde. Le camicie in nylon possono assorbire radiazioni ultraviolette e riemetterle nella luce visibile (è la "luce nera" dei locali alla moda), ecc. Questo rivestimento bianco del tubo al neon è colpito da elettroni con energie corrispondenti alla gamma dell'ultravioletto, ma colpendo i materiali che lo compongono provocano una riemissione nella luce visibile. Questo rivestimento è composto in modo tale che, nella riemissione, la luce sia il più possibile vicina alla luce visibile. Ma non è del tutto così. È per questo che la luce dei neon vi sembra così "strana".
Ciò che bisogna ricordare è che possono esistere ambienti "bitemperatura". La ragione di questa situazione è che il campo elettrico presente nel tubo, legato alla tensione applicata alle elettrodi, trasmette principalmente energia agli elettroni, che poi la trasferiscono agli ioni tramite collisioni. Ma poiché il trasferimento di energia tra il gas di elettroni e il gas di ioni è poco efficiente, può verificarsi un grande scarto di temperatura. Ciò è dovuto in particolare al fatto che il mezzo è rarefatto. Se il tubo perde e la pressione aumenta, questa "condizione fuori equilibrio" scompare immediatamente. Il gas di elettroni, fortemente accoppiato agli ioni, si raffredda molto rapidamente. Allora questi elettroni, meno "agitati" (la temperatura assoluta in un gas corrisponde al moto di agitazione termica), ritornano tranquillamente sugli atomi che si disionizzano, diventando nuovamente neutri.
L'esperimento con la Z-machine ha portato a una situazione molto curiosa. Sono presenti due specie:
- Il gas di elettroni
- Il gas di ioni (nell'acciaio inossidabile, essenzialmente nuclei di
ferro, carichi positivamente)
Da quando, dal 1998, le persone cercavano di interpretare i loro dati, avevano accesso solo alla temperatura elettronica, effettuando misure sui raggi X emessi. Perché il gas di elettroni è in questi esperimenti la principale fonte di questo radiazione? Perché intorno al plasma si trova un campo magnetico molto intenso. Quando gli elettroni, lanciati a 40.000 km/s, penetrano in questa regione con campo magnetico intenso, vengono costretti a spiraleggiare. Allora "gridano", emettono un "radiazione di frenamento". È effettuando misure su questi raggi X emessi che gli esperimentatori hanno misurato la temperatura di questo gas di elettroni: 35 milioni di gradi negli esperimenti descritti in questo articolo.
Ma utilizzando formule (la "relazione di Bennett"), se tentavano di stimare la temperatura che dovevano avere gli ioni di ferro per compensare l'enorme "pressione magnetica" esterna al plasma, dovevano ammettere che questa doveva avere un valore molto più elevato. Fin dal 1998, qualunque esperimento venisse condotto, questo scarto tra le due temperature si imponeva come un'ovvietà. Questi valori elevati erano necessari perché il plasma non fosse immediatamente schiacciato dalla pressione magnetica. Si capisce quindi che ciò suggeriva uno stato fuori equilibrio (all'equilibrio termodinamico, tutte le temperature delle specie che compongono un miscuglio gassoso sono uguali), una situazione bitemperatura inversa rispetto a quella del tubo al neon, dove stavolta era il gas di ioni a essere più caldo del gas di elettroni.
Osservazione semplice: cosa crea questo "equilibrio termodinamico"? Sono gli scambi di energia tra particelle, attraverso collisioni. L'energia, ad esempio, è l'energia cinetica
1/2 m i
< v
i 2
. Perché l'indice i? Perché un plasma è un miscuglio di diverse specie, v
i
è la velocità di agitazione termica e < v
i 2
è la "velocità quadratica media". Così
1/2 m i
< v
i 2
è
l'energia cinetica media
, nella specie considerata. Questa è la definizione stessa della temperatura assoluta, che misura l'energia cinetica media (di agitazione termica) di una specie data, secondo la relazione:
3/2 k T i = 1/2 m i
< v
i 2
dove k è la costante di Boltzmann, pari a 1,38 × 10
-23
Nelle collisioni, le particelle scambiano energia. Questo fenomeno tende all'equipartizione delle energie. Quando si tratta di energia puramente cinetica, le diverse specie tendono ad acquisire energie cinetiche di agitazione termica uguali. Quindi delle
temperature assolute
uguali:
T i = T j
Siano due particelle di masse diverse m
i
e m
j
e sia i la più leggera.
La teoria cinetica dei gas
ci dice che il tasso di trasferimento di energia cinetica in una collisione sarà proporzionale al rapporto
2 m
i / m j
Se le masse sono molto diverse, il ritorno all'equilibrio termodinamico sarà... laborioso. È per questo che in un tubo al neon si può avere uno stato fuori equilibrio marcato (temperatura elettronica: 10.000 K, temperatura degli ioni e degli atomi neutri: 300 K, rapporto 33). Il campo elettrico riaccelera gli elettroni tra una collisione e l'altra (gli ioni, troppo pesanti, ne sono poco sensibili). Mantiene così questo stato fuori equilibrio. Se lo spegniamo, il gas di elettroni si raffredda estremamente rapidamente, al ritmo...