Ionizzazione

Ionizzazione Formazione di atomi o molecole elettricamente carichi. Allo stato fondamentale gli atomi sono elettricamente neutri, perché il numero degli elettroni, di carica negativa, uguaglia quello dei protoni, di carica positiva. Quando, ad esempio, il sodio si combina con il cloro per formare cloruro di sodio, ogni atomo di sodio trasferisce un elettrone all’atomo di cloro, generando uno ione sodio con carica positiva e uno ione cloro con carica negativa. Nel cristallo che si genera in seguito a questo processo, l’attrazione elettrostatica fra ioni di cariche opposte è così forte da determinare la formazione di un legame ionico che tiene gli atomi estremamente vicini.

Quando il cloruro di sodio viene fuso, gli ioni tendono a dissociarsi a causa dell’agitazione termica e si muovono liberamente. In queste condizioni, se si inseriscono due elettrodi nella sostanza fusa e si applica tra essi una differenza di potenziale, gli ioni sodio migrano verso l’elettrodo negativo, o catodo, e quelli cloro verso l’elettrodo positivo, o anodo, producendo un flusso di corrente. Se il cloruro di sodio viene sciolto in acqua, l’attrazione fra ioni e solvente favorisce un’ulteriore dissociazione; gli ioni acquistano allora maggiore libertà di movimento e la soluzione diventa un ottimo conduttore di corrente.

Soluzioni di acidi, basi e sali – sostanze inorganiche – conducono l’elettricità e sono perciò dette “soluzioni elettrolitiche”; al contrario, soluzioni di zucchero, alcol, glicerina e di molti altri composti organici non hanno la medesima proprietà, e vengono perciò chiamate “soluzioni non elettrolitiche”. Similmente, i rispettivi composti vengono designati come elettroliti e non-elettroliti. In particolare, sono detti “forti” gli elettroliti che formano soluzioni altamente conduttrici (ne sono esempi l’acido nitrico e il cloruro di sodio) e “deboli” quelli che determinano soluzioni debolmente conduttrici (come il cloruro di mercurio e l’acido acetico).

Nella seconda metà del XIX secolo il chimico svedese Svante August Arrhenius si accorse che alcune sostanze comparivano in soluzione in forma di ioni anziché di molecole, anche quando non era applicata alcuna differenza di potenziale. Nel 1880 circa egli credette di aver trovato una spiegazione al fenomeno: ipotizzò che un elettrolita posto in soluzione subisse istantaneamente una parziale dissociazione, la cui entità dipendeva dalla natura dell’elettrolita e dalla sua concentrazione in soluzione: secondo Arrhenius, dunque, il grado di dissociazione di una determinata quantità di sale sarebbe dipeso dalla quantità d’acqua in cui questa veniva disciolta.

Successivamente però, intorno al 1923, il fisico olandese Peter Debye sviluppò una diversa teoria della dissociazione degli elettroliti. Questa teoria, che è poi quella comunemente accettata oggi, si discosta da quella di Arrhenius affermando che gli elettroliti sono completamente dissociati in soluzione. Dunque, la tendenza degli ioni a migrare e a condurre elettricità è ostacolata dall’attrazione elettrostatica che si esercita fra ioni di carica opposta e fra ioni e solvente: e in particolare, se la concentrazione della soluzione aumenta, l’effetto di rallentamento cresce. È per questo che la conducibilità di una determinata quantità di cloruro di sodio, disciolta in quantità crescenti di acqua, aumenta: infatti gli ioni, dispersi in quantità maggiori d’acqua, si trovano più lontani e risentono una minore attrazione reciproca e con le molecole del solvente. La costante dielettrica del solvente, inoltre, è un altro parametro importante per la conducibilità di una soluzione: la ionizzazione infatti è più marcata nell’acqua, caratterizzata da un’elevata costante dielettrica. Vedi anche Elettrochimica.

L’urto di una particella veloce, ad esempio un elettrone, una particella alfa, o un fotone, con un atomo gassoso può provocare l’espulsione di un elettrone, con la conseguente formazione di uno ione carico. Analogamente a quanto si verifica per le soluzioni, la presenza di uno ione aumenta la capacità del gas di condurre corrente, ovvero permette il trasporto e il movimento di cariche elettriche (vedi Elettricità). La ionizzazione per urto, ovvero ottenuta rimuovendo un elettrone, richiede di fornire all’atomo una quantità di energia – energia di ionizzazione – maggiore dell’energia di legame che tiene l’elettrone legato al nucleo in condizioni di stabilità. Il principio della ionizzazione dei gas, ottenuto mediante tipi diversi di radiazione, viene sfruttato sia per effettuare un’analisi delle radiazioni stesse (vedi Rivelatore di particelle) sia per la separazione e l’analisi degli isotopi, come avviene ad esempio nello spettrometro di massa.

Un gas costituito da un numero pressoché uguale di ioni positivi e negativi è detto plasma. Esempi di plasma sono l’atmosfera di molte stelle, i gas all’interno dei tubi al neon e l’alta atmosfera terrestre. In generale, un gas raggiunge lo stato di plasma quando l’energia cinetica delle sue particelle è uguale all’energia di ionizzazione. In tale condizione, la collisione fra le particelle che costituiscono il gas provoca una rapida formazione di ioni, e dunque dello stato di plasma. Se l’energia necessaria è fornita per mezzo di calore, la temperatura iniziale deve essere compresa tra 50.000 e 100.000 K, mentre per mantenere il plasma sono necessarie temperature da alcune centinaia a un milione di gradi. Un gas viene convertito in plasma anche quando è attraversato da un fascio di elettroni ad alta velocità.

La fisica dei plasmi riveste grande importanza nell’attuale ricerca scientifica. Vedi anche Energia nucleare; Esplorazione dello spazio.