che misura la distanza oltre la quale nel p. la carica di uno ione risulta schermata dalle cariche degli ioni circostanti; nella formula che la definisce,
0
è la costante dielettrica assoluta del vuoto, k la costante
di Boltzmann, n1 la densità elettronica e T la
temperatura termodinamica degli elettroni, ossia la temperatura cinetica degli
elettroni deducibile dalla loro energia E mediante la relazione E =
3kT/2. Il p. si origina da un gas neutro per adduzione di energia
ionizzante (passaggio di corrente, riscaldamento); il suo comportamento si
distingue in modo sostanziale dal comportamento di un qualsiasi altro sistema, e
per tale motivo, insieme alla sua ampia diffusione in natura, esso merita il
nome di quarto stato di aggregazione. Il gas luminescente del tubo di un neon
è un esempio di p. artificiale, mentre sono numerosi gli esempi di
p. naturali: la colonna di scarica di un fulmine, la ionosfera terrestre,
la materia stellare e quella interstellare diffusa nell'universo, ecc. I
p. possono essere classificati secondo diverse tipologie: in base alla
loro temperatura si distinguono in p. caldi e freddi, in base al
valore della loro densità si suddividono in p. rarefatti e
densi, in base all'energia cinetica media in p. classici e
quantistici. Tra le particelle del p. si svolgono reazioni
diversissime, come ad esempio dissociazione di molecole, eccitazione e
ionizzazione, ricombinazione di portatori di carica, emissione di radiazione,
fusioni nucleari, ecc. Dall'esterno il p. è macroscopicamente
neutro, poiché ogni disomogeneità provoca, nella distribuzione
delle cariche, forze elettriche intense che tendono a ristabilire l'equilibrio;
in piccoli domini, all'interno del raggio di Debye, si possono verificare,
tuttavia, fluttuazioni statistiche intorno all'equilibrio di carica, che
provocano un irraggiamento elettromagnetico, di cui diamo una breve descrizione.
Un p. costituito, per semplicità, da elettroni e ioni positivi
della stessa specie, può essere schematizzato come un gas elettronico
uniformemente diffuso in una distribuzione uniforme di ioni positivi fissi o
quasi fissi; le piccole variazioni locali di carica sono descritte, in prima
approssimazione, da un sistema di corpuscoli liberi soggetti a una forza di
attrazione elastica. Sotto l'azione di tale forza, pertanto, gli elettroni
iniziano a oscillare armonicamente con una frequenza caratteristica, detta
frequenza di oscillazione di p.; come conseguenza di tali oscillazioni,
il p. emette radiazioni elettromagnetiche, con frequenza centrata intorno
a quella caratteristica del p. stesso. Accanto all'irraggiamento
elettromagnetico e alle eventuali oscillazioni ioniche che possono insorgere, va
ricordato anche l'irraggiamento derivante dall'eccitazione degli ioni durante le
collisioni (sfruttato, ad esempio, nelle lampade a luminescenza e nei tubi
fluorescenti), l'emissione di radiazioni da parte di elettroni veloci frenati e,
infine, l'irraggiamento che si ha quando un p. è immerso in un
campo magnetico, riguardante il campo dell'infrarosso lontano e delle radioonde.
I moti ondosi, transitori o permanenti, di un p. sotto l'azione di
perturbazioni esterne sono in genere una combinazione più o meno
complessa di oscillazioni elastiche ed elettromagnetiche, che si ottengono
risolvendo, con opportune condizioni al contorno, il sistema di equazioni
differenziali che ne descrive lo stato fisico; tale sistema viene ricavato
applicando al p. le leggi della meccanica e dell'elettromagnetismo,
tenendo conto, per queste ultime, che i campi elettrici e magnetici sono
risultanti da cariche e correnti interne ed esterne al p. Senza entrare
nei dettagli, esaminiamo le tre situazioni tipiche che possono verificarsi in un
p. che interagisce con onde elettromagnetiche esterne, in base alla
frequenza della perturbazione impressa rispetto ad alcune frequenze
caratteristiche del p. stesso. Nel primo caso, la frequenza delle
perturbazioni è minore di quella delle collisioni elettroniche: il
p. si comporta allora come un gas ordinario, in cui possono propagarsi
oscillazioni elettromagnetiche longitudinali, come già descritto in
precedenza. Nel secondo caso, la frequenza delle perturbazioni è maggiore
della frequenza delle collisioni e minore di quella massima di ciclotrone
(frequenza del moto elicoidale che le particelle cariche assumono se sottoposte
all'azione di un campo magnetico): si possono instaurare, allora, onde smorzate,
rispetto alle quali il p. presenta una elevata dispersività. Nel
terzo e ultimo caso, il più complesso, la frequenza delle onde
elettromagnetiche esterne è maggiore della massima frequenza di
ciclotrone, e quindi, a maggior ragione, della frequenza delle collisioni
elettroniche; il comportamento è diverso a seconda che sia presente o
meno un campo magnetico esterno. In assenza di campo magnetico, il p. si
comporta nei riguardi dell'onda come un mezzo riflettente o assorbente, a
seconda del valore della frequenza f dell'onda stessa; infatti, il
p., come tutti i mezzi conduttori, è caratterizzato da una
costante dielettrica complessa, la cui parte reale dà conto della
rifrattività e quella immaginaria dell'assorbimento. Detta ν la
frequenza delle collisioni elettroniche, se, come ipotizzato, è f
>> ν l'indice di rifrazione n e il coefficiente di
assorbimento k sono dati dalle espressioni
,
dove c è la velocità della luce e fp la frequenza caratteristica del p. Se f < fp, quindi, il coefficiente di rifrazione n è puramente immaginario, che corrisponde, dal punto di vista fisico, all'impossibilità di propagazione dell'onda nel p.; se, invece, è f > fp, il p. si comporta come un mezzo assorbente e fortemente dispersivo, con dispersività rapidamente decrescente. In presenza di un campo magnetico esterno (come, ad esempio, quello terrestre), ai fenomeni di dispersione e di assorbimento appena descritti si aggiunge un fenomeno di birifrazione: a causa dell'anisotropia prodotta dal campo magnetico esterno nei moti elettronici che assumono andamento elicoidale, l'onda che si propaga nel p. si divide in due onde (componenti magnetoioniche), che si propagano con velocità diverse e sono diversamente assorbite. In particolare, è possibile la propagazione di una componente anche per onde la cui frequenza sia minore di quella caratteristica del p. La fisica del p. ha acquisito particolare importanza in considerazione della possibilità di utilizzare un p. contenente deuterio per produrre energia mediante processi di fusione nucleare. A tale scopo, l'attenzione si è rivolta particolarmente allo studio dei p. a elevatissima temperatura, dell'ordine di decine di milioni di gradi, ottenibili mediante conversione di energia elettromagnetica prodotta da campi esterni in energia cinetica ionica; oltre a tale condizione, deve essere realizzata, inoltre, una elevata concentrazione ionica per un tempo sufficientemente lungo. Il problema del confinamento di un p. entro un dato volume a elevate temperature è stato risolto attualmente mediante l'applicazione di opportuni campi magnetici esterni secondo due disposizioni tipiche: nella prima, la più diffusa, il recipiente è toroidale, e tali sono le linee del campo magnetico; nella seconda, meno diffusa a causa della maggiore instabilità che può insorgere nel p., il recipiente è cilindrico e il campo magnetico è assiale, con intensità crescente verso le estremità. I dispositivi in cui si producono p. caldi confinati magneticamente, destinati agli studi sulla realizzabilità della fusione termonucleare, vengono detti macchine a p.; importanti risultati sono stati ottenuti recentemente con la macchina europea JET, in funzione dal 1983, destinati a svilupparsi con la realizzazione della nuova macchina europea NET e di quella statunitense-russa-europea-giapponese ITER. ║ P. primordiale: sostanza ipotetica, costituita essenzialmente da neutroni, con una massa specifica di circa 1013 g/cm3, che sarebbe all'origine di tutti i nuclei. ║ P. senza collisioni: p. la cui densità è sufficientemente bassa perché si possano trascurare gli urti binari vicini tra particelle; le interazioni che si producono in tale p. sono dovute soltanto alle forze a lungo raggio d'azione. Si dice, inoltre, che si ha a che fare con un p. senza collisioni quando si studiano fenomeni le cui scale di tempo caratteristiche sono nettamente inferiori al tempo d'urto del p. stesso. • Tecn. - Forni a p.: dispositivi, detti anche fiamme o torce a p., in cui viene prodotto in atmosfera controllata un p. la cui elevata temperatura è sfruttata per la lavorazione, mediante fusione, di materiali altamente refrattari. ║ Generatori a p.: dispositivi che effettuano la conversione di energia termica in energia elettrica. Sono basati sul fatto che in un p., che percorra a elevata velocità un condotto sotto l'azione di un campo magnetico esterno, si genera una forza elettromotrice; presentano il vantaggio di non avere organi in moto e, rispetto ad altri generatori, di raggiungere notevoli potenze unitarie. I generatori a p. si distinguono in generatori a ciclo aperto, i più diffusi, che utilizzano gas di combustione di carbone o di idrocarburi, scaricandoli poi nell'atmosfera, e in generatori a ciclo chiuso, che riutilizzano, recuperandoli al termine del ciclo, gas nobili quali l'argon, l'elio e il neon; i generatori sono solitamente accompagnati da impianti termoelettrici tradizionali, per lo sfruttamento del gas in uscita.