Vacanti (fìsica)

'N fìsica, u vacanti eni a mancanza di materia 'n nu vulumi spazziu, mentri u vacanti parziali eni espressu 'n unitati di prissioni.

Discrizzioni

La unitati di misura nnô Sistema 'ntirnazziunali di unitati di misura dâ prissioni eni u pascal (accurzatu 'n Pa), menti alli voti veni misuratu puru 'n termini di torr o millìmitri di mercuriu (mmHg), usannu a scala barometrica, oppuru 'n rapportu â prissioni attimusferica media usannu u bar. U cuntrariu di vacanti, puru ca nun eni possibili aviri tali cuncettu, eni u chinu.

A cunnìzzioni di vacanti perfettu nun si poni aviri 'n laboratoriu e nun eni mai stati talìata 'n natura; si dici ca gran parti dû spazziu intergalatticu eni furmatu di vacanti quasi perfettu, cu nu nicu nummàru di molecoli pî metru cubbu. Oltri a chistu, puru supponennu ca 'n na certa riggiuni dû spazziu fisicu nun ci fussìru molecoli, a prìsenza dî campi (gravitazziunali, elettrumagnetici, ecc...) causassi comunque a mancanza di nu vacanti cumpretu 'n tali riggiuni dû spazziu.

U significatu di "vacanti" spissu nun rispecchia a stissa cunnìzzioni fisica riali a secunna dî l'ambuty 'n cui eni studiatu (pî esempiu termudinàmica, meccanica quantistica o ncignirìa). 'N particulari, quanni si parra di "gradu di vacanti" (nto sensu di purositati e di "pompa a vuotu" u cuncettu di vacanti eni diffìrenti: ntô primu casu u vacanti eni na parti dû spazziu pertinenti ô solidu stissu, ma nun necessariamenti priva di materia (pî esempiu poni essìri jinchiuti da nu fluidu, comu l'aria o l'acqua), mentri ntô secunnu casu u vacanti cunsisti 'n nu limiti termudinamicu a cui n'avvicinammu ô diminuiri dâ prissioni. Quannu si parra di suttavuotu ci si rifìrisci a na prissioni cchìu bassi dî l'attimusfera, ma non pî fozza nulla.

Gradi di vacanti

Esistinu divìersi "gradi di vacanti", ciascunu usatu 'n diffìrenti applicazzioni pratichi. Pî aviri, tèniri e misurari ciascunu di chisti gradi, sunnu nicìssari 'n ginirali divìersi sistemi di pumpaggiu e matiriali pâ custruzzioni dî camiri da vacanti. Di secuitu sunnu arrìpurtati alcuni esempi:

Vacanti vascìu (Rough vacuum, RV): 1 × 10⁵ Pa – 1 × 10² Pa
Vacanti mediu (Medium vacuum, MV): 1 × 10³ Pa – 1 × 10^-1 Pa
Vacanti avutu (High vacuum, HV): 1 × 10^-1 Pa – 1 × 10^-5 Pa
Vacanti ultra avutu (Ultra high vacuum, UHV): 1 × 10^-5 Pa – 1 × 10^-9 Pa
Vacanti assai avutu (Extremely high vacuum, EHV): < 1 × 10^-9 Pa

Di secuitu sunnu arrìpurtati alcuni esempi pratici dî divìersi rigimi di vacanti:

Prissioni attimusferica: 1,01325 × 10⁵ Pa
Aspirapruvulazzu: 0,8 × 10⁵ Pa
Pompa da vacanti mìccanica = 1 × 10² Pa – 1 × 10^-4 Pa
Attimusfera tirrestri esterna = 1,3 × 10^-4 Pa
Prissioni attimusferica ncapu a Luna = 1,3 × 10^-6 Pa
Mezzu interstiddari = 1,3 × 10^-8 Pa
Camera MBE Criupumpata = 1,33 × 10^-7 Pa – 1,3 × 10^-9 Pa

Crìari u vacanti

Quannu si crìa nu vacanti parziali, a materia prisenti ntô vulumi ca eni evacuata, scurri 'n modu diffìrenti a diffìrenti prissioni, 'n basi ê liggi dâ fluidudinamica. Inizialmenti poni essìri usata na pompa a vuotu primaria pì livari u matiriali, picchì i mulecoli nteragiscinu l'una cu l'avutra e spincinu chiddi ca si trovanu a iddi vicini 'n chiddu ca eni chiamatu flussu viscusu. Quannu a distanza tra li mulecoli aumenta, i mulecoli nteragiscinu cchìu cu li pariti dû ricipienti ca cun l'avutri muleculi, e lu pumpaggiu tradizziunali (cu pumpi primarii) nun eni cchìu efficaci. 'N chistu stadiu, u sistema eni trasutu 'n nu statu chiamatu flussu muleculari, dunni a vilucitati di ogni mulecula eni praticamenti casuali. I suluzzioni pî livari u gasi rimanti cumprennìnu:

Cunvertìri i muleculi di gas nnâ loru fasi solida tramiti cungelamentu (criupumpa).
Cunvertirli ô statu solidu cancìannuli elettricamenti cu avutri matiriali, (pompa ionica).
Usari n'avutra pumpa specializzata. Pî esempiu pumpi turbumuleculari o pumpi a diffusioni.

A prissioni assai vasci, si verifica ntô tempu u fenomenu dû rilasciu di gas (degasaggiu) da parti dû rìcipienti a vuotu. Esistìnu inoltri avutri fenomeni ca cuntrastanu a diminuzzioni dâ prissioni facennu trasiri novi muleculi ntô ricipienti da vuotu, tra chisti ci sunnu i micruperditi, a permeazzioni, la ntroduzzioni di gas di prucessu e â scarsa conduttanza. Puru se si genìra nu vacanti assai spintu 'n nu cuntinituri sigillatu ermeticamenti, nun c'eni garanzia ca la vascia prissioni si possa cunsirvari ntô tempu, se nun si cunsìdiranu chisti fenomini. U rilasciu di gas eni cchìu avutu ad avuti timpiraturi; e puru i matiriali ca a prima vista nun parinu assurbenti, libberanu gas. U vapuri eni nu cumpunenti primariu dû gas libbìratu, puru 'n ricipienti di mitallu duru comu l'azzari inossidabbili o u [[titaniu. U rilasciu di gas poni essìri arrìduttu cu l'essiccazioni prima di fari u vacanti.

I ricipenti arrìvistiti cu matiriali avutamenti gas-permeabbili comu u palladiu, ca eni comu na spùonza ca teni l'idrògginu, crìanu mpurtanti prubblemi di rilasciu di gas. Pî chisti mutivi spìssu pî crìari mpianti da vacanti si usanu particulari matiriali da vacanti, studiati 'n modu da arrìdurri u cchìu possibbili i fenomini ca fannu aumintari a prissioni nâ cammìra dû vacanti. Pì aviri u cacanti assai spintu, i ricìpienti vennu riscaldati a quarchi cintinagghiu di gradi cintigradi 'n modu da anticipari u rilasciu dû gas. I gas libbìrati da lu recipienti vennu livati cu putenti pumpi, pì fari si ca a maggiuri parti dî muleculi di gas ponnu essìri livati, doppu chista opirazzioni a timpiratura veni arrìeri abbassata. U prucessu pì allibbìrari u gas nun putissi esseri accussì efficaci si fussi fattu a timpiraturi vasci. I prissioni cchìu vasci ca si ponnu avìri attualmenti 'n laboratoriu sunnu di circa 10⁻¹³ Pa.

U vacanti quantisticu

Pi sapìrinni cchiossai, vidi puru li vuci Effettu Casimir, Enirgìa dû vacanti, Enirgìa di puntu zeru, Favusu vacanti e Mari di Dirac.

A tiuria quantistica dî campi ci dici ca mancu nu vacanti ideali, cu na prissioni misurata zeru, eni veramenti vacanti. Infatti, ntô vacanti sunnu prìsenti fluttuazzioni quantu-meccaniche ca lu fannu ribulliri di coppie di particeddi virtuali ca nascìnu e si distruggìnu di 'n cuntinuazzioni. Chistu fenominu quantisticu putissi essìri responsabbili dû valuri talìatu dâ custanti cosmuloggìca.

Secunnu u principiu di ndterminazzioni di Heisenberg, enirgìa e tempu, ô pari di avutri grannizzi comu posizzioni e vilucitati, nun ponnu essìri misurati cu na sicurizza nfinita. Se u spazziu vacanti nun avissi alcuna forma di enirgìa, na particedda putissi aviri vilucitati ed enirgìa nulli, cu nu sbagghìu uguali a zeru ca violirebbi u principiu di Heisenberg: ciò porta a concludiri pî l'esistenza di fluttuazzioni quantistichi ntô spazziu vacanti, cha genìranu na quantita minima di ndeterminazzioni. U vacanti eni quindi pinsatu comu nu equilibriu dinamicu di particeddi di materia e di antimateria 'n cuntinua criazzioni e annichilazzioni.

I particeddi virtuali dû vacanti quantisticu, caratterizzatu dâ l'abituali binomiu unna-particedda dâ Miccànica statìstica, 'n nu spazziu nfinitamenti loncu hannu lunchizza d'unna qualsiasi. Ô cuntrariu, 'n nu spazziu limitatu, pî esempiu tra dui pareti, esisterannu sulu particeddi cu lunchizzi d'unna ca sunnu suttamultipli nteri dâ distanza tra li pareti stissi, cu na enirgìa nfiriuri di chidda di fora. Si poni perciò misurari na forza-prissioni ca tenni ad avvicinari i pariti (effettu Casimir). I particeddi sunnu ditti virtuali picchì normalmenti nun pruducinu effetti fisici; 'n nu spazziu limitatu, però, ci sunnu grannizzi misurabbili.

N'avutru mutivu pì l'enirgìa dû vacanti eni ca i pariti dâ cammìra vacanti emetti luci 'n forma di radiazziuni dû corpu nivuru: luci visibili, se sunnu â timpiratura di migghìaia di gradi, mentri luci infrarussa se cchìu friddi. Chista "zuppa" di futuni sarò 'n equilibriu termudinamicu cu li pariti, e si poni diri di consicuenza ca û vacanti avi na particulari timpiratura.

Li spirimènti

Versu u 165', u fisicu tidescu Otto von Guericke nvintò â sô famusa pumpa da vacanti, cuminciannu a stupìri l'Europa cu li sô spirimènti pubbrici: famusa l'esperienza dî li emisferi di Magdeburgu (1654), dunni dui parigghi di cavaddi nun arrìniscivanu a siparari dui emisferi di mitallu accustati dunni dintra era statu fattu u vacanti. 'N nu avutru spirimèntu, cunnuttu ntô stissu annu, vinti cristiani nun arrìniscevanu a tenìri nu pistuni ca si ritirava se cullìgatu a na cammìra 'n cui era statu fattu u vacanti: si tratta dû primu esempiu di muturi a cilindro e pistuni.

U fisicu irlandisi Robert Boyle migghìurò a màchina da vacanti di von Guericke e fici novi spirimènti, ca discrissi 'n nu scrittu dû 1660. Quarchi annu cchìu tardu Boyle determinò pî via spirimintali a liggi dî gas ca porta u sô nomu e ca stabilisci a proporzionalitati cuntraria tra vulumi e prissioni di nu gas pî trasformazzioni isuterme. Pî lu sviluppu dâ pumpa da vacanti travagghiarunu puru da li fisici Christiaan Huygens e Robert Hooke. 'N chiddi anni cuntinuarunu puru li osservazzioni ncapu i variazzioni di prissioni attimusferica: ntô 1660 von Guericke talìava i fluttuazzioni ntô sô granni barometru ad acqua e na mpruvvisa caruta permisi di prìvidiri 'n anticipu l'arrivu di na timpesta.

Ntô 1686 astrònumu ngrisi Edmond Halley arrìnisciu a formulari na formula credibbili pî la determinazzioni dî l'altitùddini 'n basi â variazzioni di prissioni, mentri ntô 1680 Huygens cunsigghiò di sfruttari u vacanti pî ricavari enirgìa dâ prissioni attimusferica. Denis Papin, cha lu avia assistutu nnâ li spirimènti, ntô 1687 eni u primu a rializzari na màchina ca sfrutta u vapuri pì moviri nu pistuni. Nti 1705 u fisicu ngrisi Francis Hawksbee rafforza a scuperta di von Guericke ca u sonu nun si allarga ntô vacanti e 'n secuitu, ntô 1709, custruisci a prima pompa da vacanti a dui cilindri. Ntô 1783 u fisicu svizziru Daniel Bernoulli pubbrica nu mpurtanti trattatu di idrudinamica, ntô quali tra l'avutru avanza puru funnàmintali ipotisi ca sarannu arrìpigghiati ntô XIX seculu nnà accussìditta tiuria cinetica dî gas.

Etati cuntempuranea

U sviluppu dî scienzi fisichi purtò â difinizzioni rigurusa dî liggi dî gas, e a necessitati di apparecchiaturi pâ pruduzzioni (pumpi da vacanti) e a misura (vacuometri) dû vacanti retti nu forti mpulsu â ricerca tecnica. Versu a mitati dî l'ottucentu a trasuta di novi tipi di pumpi detti a pussibilitati di aviri avuti vacanti e di studiari, pî esempiu, i fenomini di ionizzazioni dî gas 'n cunnìzzioni di estrema rarefazzioni. U studiu dî raggi catodici, prudutti nnê tubbi da vacanti, accùnsintì di appuiari i basi pâ determinazzioni dû rapportu tra massa e carica dî l'elettrùni, mentri nnê stissi anni vinni prisintata a tiuria cinetica dî gas.

Nê primi anni dû XX seculu vennu sviluppati divìersi tipi di vacuometru, ca accunsentinu di misurari prissioni finu a a 10⁻¹ Pa, mentri ntô 1909 veni custruitu u primu vacuometru a ionizzazzioni, ca arriva a misurari finu a 10⁻⁶ Pa. Dopu a secunnu guerra munniali foru appurtati avutri migghioramenti a li vacuometri a ionizzazzioni, ed eni ura possibbili misurari vacanti estremi, puru supiriuri a 10⁻¹² Pa.

I spincìuti principali pû migghioramentu dî tecnologii dû vacanti vennu dâ ndustria e dâ ricerca, l'applicazziuni pratichi sunnu assai e nnê divìersi campi: si sfrutta u vacanti 'n tubbi a raggi catodici, làmparini, acciliraturi di particeddi, ndustria metallurgia, ndustria alimentari, ndustria aerospazziali, mpianti pâ fusioni nucliari cuntrullata, microelettronica, scienza dî supirfici, ecc.

Talìa puru

Lijamenti di fora

Breve storia del vuoto su Scienzapertutti, su scienzapertutti.lnf.infn.it.
(EN) Journal of Vacuum Science and Technology A, su scitation.aip.org.
(EN) Journal of Vacuum Science and Technology B, su scitation.aip.org.
(EN) American Vacuum Society, su avs.org.