Vuoto (fisica) Italiano www.tool-tool.com－BW Professional Cutter Expert www.tool-tool.com

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In fisica, il vuoto è l'assenza di materia in un volume di spazio. Un vuoto parziale viene espresso in unità di pressione. L'unità di misura SI della pressione è il pascal (abbreviato con Pa). Viene 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, viene 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.

[modifica] Gradi di vuoto

Convenzionalmente si definiscono diversi gradi di vuoto, 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:

Vuoto basso (Rough vacuum, RV): 1 · 10⁵ Pa – 1 · 10² Pa
Vuoto medio (Medium vacuum, MV): 1 · 10³ Pa – 1 · 10^-1 Pa
Vuoto alto (High vacuum, HV): 1 · 10^-1 Pa – 1 · 10^-5 Pa
Vuoto ultra alto (Ultra high vacuum, UHV): 1 · 10^-5 Pa – 1 · 10^-9 Pa
Vuoto estremamente alto (Extremely high vacuum, EHV): < 1 · 10^-9 Pa

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

Pressione atmosferica: 1,01315 · 10⁵ Pa
Aspirapolvere: 0,8 · 10⁵ Pa
Pompa a vuoto meccanica = 1 · 10² Pa – 1 · 10^-4 Pa
Atmosfera terrestre esterna = 1,3 · 10^-4 Pa
Pressione atmosferica sulla Luna = 1,3 · 10^-6 Pa
Spazio interstellare = 1,3 · 10^-8 Pa
Camera MBE Criopompata = 1,33 · 10^-7 Pa – 1,3 · 10^-9 Pa

[modifica] Creare il vuoto

Quando si crea un vuoto parziale, la materia presente nel volume che viene evacuata, scorre in modo differente a differenti pressioni, in base alle leggi della fluidodinamica. Inizialmente può essere usata una pompa a vuoto per rimuovere il materiale, poiché le molecole interagiscono l'una con l'altra e spingono quelle a loro vicine in quello che viene 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 non è più efficace.

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:

Convertire le molecole di gas alla loro fase solida tramite congelamento (criopompaggio).
Convertirle allo stato solido combinandole elettricamente con altri materiali, (pompa ionica)
Utilizzare un'altra pompa specializzata. Ad esempio pompa turbomolecolare o pompa a diffusione.

A pressioni estremamente basse, si verifica nel tempo il fenomeno del rilascio di gas da parte del recipiente a vuoto. 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 considera questo fenomeno. 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 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 comporterebbe tempi inaccettabili se fosse eseguito a temperatura ambiente.

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

[modifica] Il vuoto quanto-meccanico

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.

Il vuoto viene 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 grandezza misurabili.

[modifica] Storia del concetto di vuoto

Il problema dell'esistenza del vuoto e della definizione stessa del concetto di vuoto ha interessato le più brillanti menti filosofiche e scientifiche del mondo sin dall'antichità.

[modifica] Grecia antica

L'universo di Democrito è composto da enti eterni e immutabili, da lui chiamati atomi (cioè indivisibili). Per giustificare i processi naturali e il divenire della realtà egli attribuì agli atomi un movimento e con essi il vuoto, ovvero lo spazio entro cui si esercita il movimento. All'interno del vuoto democriteo ogni atomo si muove di moto rettilineo uniforme fino al successivo urto con altri atomi. Per Democrito dunque le realtà primarie erano gli atomi e il vuoto.

Concezione del tutto diversa quella della dinamica aristotelica: per lo stagirita la causa del movimento dei corpi non era nel corpo stesso, ma nel mezzo. Un proiettile, una volta scagliato, proseguirebbe nel moto perché spinto dall'aria, che continuamente si precipita ad occupare il vuoto lasciato dal proiettile al suo passaggio. Un corpo sarebbe quindi sempre soggetto ad una forza durante il moto e la sua velocità sarebbe direttamente proporzionale ad essa e inversamente proporzionale alla resistenza del mezzo. Ne segue che nel vuoto la resistenza sarebbe nulla e la velocità del corpo diverrebbe infinita, cioè il corpo avrebbe il dono dell'ubiquità. Di qui la convinzione aristotelica dell'impossibilità del vuoto (Natura abhorret a vacuo).

[modifica] Età ellenistica

L'esistenza del vuoto fu affermata, in opposizione alle teorie aristoteliche, da Stratone di Lampsaco, che diresse la scuola aristotelica dal 288 a.C. al 269 a.C.. Le teorie di Stratone furono probabilmente connesse alla nascita della scienza della pneumatica, avvenuta ad opera di Ctesibio e proseguita da altri scienziati alessandrini, che studiarono la compressibilità dell'aria (Pneumatica di Filone di Bisanzio, 250 a.C.). Essi assumevano una posizione intermedia fra i sostenitori e i critici della teoria dell'esistenza del vuoto. Per gli alessandrini non era possibile avere il vuoto in grandi volumi, ma solo vuoto disseminato tra una particella e l'altra (i latini lo chiamarono poi vacuum intermixtum) e con questo riuscivano a spiegare facilmente le proprietà di compressibilità ed elasticità dell'aria.

[modifica] Medioevo

Nel VI secolo Giovanni Filopono criticò la teoria aristotelica sul moto dei proiettili e mise le basi per quella che nel XIII-XIV secolo venne ripresa come teoria dell'impetus. Secondo Filopono il moto del proiettile è dovuto all'azione di una “forza cinetica incorporea” che viene impressa al proiettile al momento del lancio (prefigurazione di ciò che oggi chiamiamo quantità di moto) e la resistenza del mezzo è ridotta a semplice componente addizionale; diventa così possibile il movimento nel vuoto.

Attorno al X-XI secolo la diatriba sul vuoto interessò gli studiosi e i commentatori arabi, che contribuirono allo sviluppo della teoria dell'impetus. In particolare Avicenna riprese le idee di Giovanni Filopono, aggiungendovi un importante novità: secondo Avicenna, nel vuoto la forza impressa al proiettile all'inizio del moto non si consumerebbe mai e il moto proseguirebbe all'infinito. D'altro canto il famoso commentatore aristotelico Averroè (XII secolo) si oppose a questa teoria, sostenendo che è esperienza di tutti che il moto avvenga sempre attraverso un mezzo e che ricorrere ad un'ipotetica forza incorporea significherebbe cercare la causa delle cose non nella realtà ma in un immaginario mondo astratto.

A partire dalla prima metà del XIII secolo le discussioni che animavano il mondo arabo si trasferirono di nuovo in Occidente, investendo alcune tra le più grandi menti dell'epoca (da Alberto Magno a Tommaso d'Aquino). L'approfondimento delle idee di Filopono e Avempace portò infine all'elaborazione sistematica della teoria dell'impetus, uno dei frutti più importanti della cosiddetta “scuola parigina di fisica”.

[modifica] Età moderna

Nel 1644 Cartesio pubblicò i suoi Principia Philosophiae, nei quali sostiene tra l'altro l'inesistenza del vuoto. Nello stesso anno il fisico Evangelista Torricelli descrisse in una lettera l'esperienza del suo famoso barometro, eseguita l'anno precedente. In quegli anni si moltiplicarono le discussioni sul vuoto: lo stesso Blaise Pascal affrontò il problema secondo il metodo sperimentale galileiano, pubblicando nel 1647 uno scritto sull'argomento dove confermò l'esperienza di Torricelli. L'anno seguente diede i primi lineamenti della legge altimetrica di variazione della pressione con l'altitudine, proponendo di sfruttarla per la misura dell'altezza delle montagne.

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.

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.

[modifica] Età contemporanea

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 viene 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.

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