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Vuoto (fisica): differenze tra le versioni

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Il '''vuoto''' (dal [[Lingua latina|latino]] ''vacuum'') è una regione di spazio priva di [[Materia (fisica)|materia]]. In prima approssimazione si consideradefinisce vuoto una regione di spazio in cui la [[pressione]] siaè molto inferiore alla [[pressione atmosferica]].<ref>{{cita libro |nome =Chambers Austin |anno=2004 |titolo=Modern Vacuum Physics |editore=CRC Press |città=Boca Raton |isbn=978-0-8493-2438-3 }}</ref>. I fisici teorici fanno una distinzione tra il vuoto che si ottiene in laboratorio che viene chiamato vuoto parziale e quello ideale perfetto che viene chiamato semplicemente vuoto. In ingegneria e fisica applicata invece si chiama vuoto la regione di spazio in cui la pressione sia molto più bassa di quella atmosferica<ref>{{cita libro |nome=Nigel S. Harris |anno=1989 |titolo=Modern Vacuum Practice |editore=McGraw-Hill |p=3 |isbn=978-0-07-707099-1 }}</ref> Tale condizione, che si ottiene in genere in laboratorio, viene definita dai fisici vuoto parziale, che si contrappone al vuoto ideale perfetto, chiamato semplicemente vuoto.
Il '''vuoto''' è una regione di spazio priva di [[Materia (fisica)|materia]]. La parola deriva dalla parola ''vacuum'' del
[[Lingua latina|latino]]. In prima approssimazione si considera vuoto una regione di spazio in cui la [[pressione]] sia molto inferiore alla [[pressione atmosferica]]<ref>{{cita libro |nome =Chambers Austin |anno=2004 |titolo=Modern Vacuum Physics |editore=CRC Press |città=Boca Raton |isbn=978-0-8493-2438-3 }}</ref>. I fisici teorici fanno una distinzione tra il vuoto che si ottiene in laboratorio che viene chiamato vuoto parziale e quello ideale perfetto che viene chiamato semplicemente vuoto. In ingegneria e fisica applicata invece si chiama vuoto la regione di spazio in cui la pressione sia molto più bassa di quella atmosferica<ref>{{cita libro |nome=Nigel S. Harris |anno=1989 |titolo=Modern Vacuum Practice |editore=McGraw-Hill |p=3 |isbn=978-0-07-707099-1 }}</ref>.
 
La condizione di ''vuoto perfetto'' non è ottenibile in laboratorio e non è mai stata osservata in natura;. siSi ritiene che gran parte dello [[spazio intergalattico]] consista di un vuoto ''quasi'' perfetto, con un piccolo numero di [[molecola|molecole]] per metro cubo. Inoltre, anche supponendo che in una certa regione dello spazio fisico non ci fossero molecole, la presenza dei [[Campo (fisica)|campi]] ([[campo gravitazionale|gravitazionale]], [[campoCampo elettromagnetico|elettromagnetico]], ecc.) comporterebbe comunque l'assenza di un vuoto completo in tale regione dello spazio.<ref>Si veda la voce "[[Effettoeffetto Unruh]]" per un'ulteriore chiarificazione del concetto di vuoto, per come esso è inteso in fisica).</ref>
La ''qualità'' di un vuoto parziale si riferisce a quanto è simile ad un vuoto perfetto o equivalentemente si può dire che una [[pressione]] più bassa del gas corrisponde a un vuoto di più alta qualità. Per avere una idea l'aspirazione di un tipico [[aspirapolvere]] riduce la pressione approssimativamente del 20%<ref>{{cita libro |nome=Jeff Campbell |anno=2005 |isbn=978-1-59486-274-8 |p=97 |titolo=Speed cleaning |url=https://books.google.com/books?id=hqegeIz9dyQC&pg=PA97}}</ref>. Il vuoto che si riesce a produrre in laboratorio è di più alta qualità. La camere di [[ultra alto vuoto]] usate in fisica, chimica e ingegneria funzionano a pressioni che sono 10<sup>−12</sup> volte la pressione atmosferica (100&nbsp;nPa). In casi estremi si riescono avere regioni di spazio in cui sono presenti
100 particelle/cm³<ref>G. Gabriels et al. ,Thousandfold improvement in the measured antiproton mass, Phys. Rev. Lett. '''65''', 1317-1320 (1990)</ref>. Nello [[Spazio (astronomia)|spazio cosmico]] intergalattico si raggiungono vuoti anche di maggiore qualità, con pochi atomi di idrogeno per metro cubo<ref>{{cita pubblicazione| autore=M. Tadokoro | titolo=A Study of the Local Group by Use of the Virial Theorem| rivista=Publications of the Astronomical Society of Japan| volume=20 | p=230 | anno=1968| bibcode=1968PASJ...20..230T }} Viene stimata una densità {{val|7|e=-23|u=g/m<sup>3</sup>}} per il [[gruppo locale]]. Un'[[unità di massa atomica]] è {{val|1.66|e=-24|u=g}}, di conseguenza vi sono 40 atomi per metro cubo</ref>.
 
La "qualità" di un vuoto parziale esprime quanto esso si avvicina a un vuoto perfetto, cioè quanto è bassa la pressione del gas. Per dare una scala di valori, l'aspirazione di un tipico aspirapolvere riduce la pressione approssimativamente del 20%<ref>{{cita libro |nome=Jeff Campbell |anno=2005 |isbn=978-1-59486-274-8 |p=97 |titolo=Speed cleaning |url=https://books.google.com/books?id=hqegeIz9dyQC&pg=PA97}}</ref>; il vuoto che si riesce a produrre in laboratorio è di qualità molto più alta : le camere di [[ultra alto vuoto]] usate in fisica, chimica e ingegneria funzionano a pressioni che sono 10<sup>−12</sup> volte la pressione atmosferica (100&nbsp;nPa). In casi estremi si riescono ad avere regioni di spazio in cui sono presenti 100 particelle/cm³<ref>G. Gabriels et al. ,Thousandfold improvement in the measured antiproton mass, Phys. Rev. Lett. '''65''', 1317-1320 (1990)</ref>. Nello [[Spazio (astronomia)|spazio cosmico]] intergalattico si raggiungono vuoti anche di maggiore qualità ancora maggiore, con pochi atomi di idrogeno per metro cubo<ref>{{cita pubblicazione| autore=M. Tadokoro | titolo=A Study of the Local Group by Use of the Virial Theorem| rivista=Publications of the Astronomical Society of Japan| volume=20 | p=230 | anno=1968| bibcode=1968PASJ...20..230T }} Viene stimata una densità {{val|7|e=-23|u=g/m<sup>3</sup>}} per il [[gruppo locale]]. Un'[[unità di massa atomica]] è {{val|1.66|e=-24|u=g}}, di conseguenza vi sono 40 atomi per metro cubo</ref>. In alcuni [[Acceleratore di particelle|acceleratori di particelle]] è possibile raggiungere condizioni di vuoto inferiori a quelle dello spazio intergalattico.<ref>{{Cita web|url=http://www.roma1.infn.it/~luci/labo_termo/Sistemi_da_vuoto.pdf|titolo=Sistemi da vuoto}}</ref>
Anche se i filosofi greci anticamente hanno parlato del vuoto, solo nel 17simo secolo è stato studiato in maniera empirica.
[[Evangelista Torricelli]] produsse per la prima volta il vuoto in laboratorio nel 1643, assieme a tecnologie commesse allo studio
della [[pressione atmosferica]]. Il ''vuoto di Torricelli'' è creato riempendo un alto contenitore di vetro chiuso ad un estremo e rovesciandolo in un recipiente contenente mercurio<ref>http://www.imss.fi.it/vuoto/iesper2.html</ref>.
 
LaIl definizione ditermine "vuoto" spesso nonsi rispecchiariferisce laa stessacondizioni condizionefisiche fisica realediverse a seconda dell'ambito in cui è studiatoconsiderato (ad esempio [[termodinamica]], [[meccanica quantistica]] o, [[ingegneria]]). InAd particolareesempio, quando si parla di "[[grado di vuoto]]" (nel senso di [[porosità]]) e di "[[pompa a vuoto]]" il concetto di vuoto è differente: nel primo caso ilsi vuototratta èdi una parte dello spazio pertinente al solido stesso, ma non necessariamente priva di materia (ad esempio può essere riempito da un fluido, come l'aria o l'acqua), mentre nel secondo caso il vuoto consiste in un limite termodinamico a cui ci avviciniamosi avvicina al diminuire della pressione. QuandoInoltre, inoltrequando si parla di "sottovuoto" ci si riferisce a una pressione minore dell'atmosfera, ma non necessariamente nulla.
Il vuoto è divenuto un valido strumento industriale nel corso del 20simo secolo con la invenzione della [[lampada a incandescenza]] e delle [[valvola termoionica|valvole]] ed un grande numero di tecnologie del vuoto che di conseguenza furono disponibili. Lo sviluppo
 
del volo spaziale umano ha suscitato interesse a proposito dell'impatto del vuoto sulla salute umano e sulla vita in generale
==Storia==
[[File:Apollo Command Service Module in vacuum chamber.jpg|thumb|upright=1.4|right|Modulo della [[navicella spaziale Apollo]] all'interno di una grande camera da vuoto che simula lo spazio]]
Anche se i filosofi greci anticamente hanno parlato del vuoto, solo nel XVII secolo è stato studiato in maniera empirica. Clemens Timpler (1605) filosofeggiava sulla possibilità sperimentale di produrre il vuoto in piccoli tubi.<ref>{{Cita libro|autore=Joerg Huettner & Martin Walter (Ed.)|titolo=Clemens Timpler: Physicae seu philosophiae naturalis systema methodicum. Pars prima; complectens physicam generalem|anno=2022|editore=Hildesheim / Zürich / New York: Georg Olms Verlag|p=28–37}}</ref> [[Evangelista Torricelli]] produsse per la prima volta il vuoto in laboratorio nel 1643, assieme a tecnologie connesse allo studio della [[pressione atmosferica]]. Il ''vuoto di Torricelli'' è creato riempiendo un alto contenitore di vetro chiuso ad un estremo e rovesciandolo in un recipiente contenente mercurio<ref>{{Cita web|url=http://www.imss.fi.it/vuoto/iesper2.html|titolo=Horror Vacui? - L'esperimento di Torricelli - IMSS|accesso=2022-02-24}}</ref>.
 
Il vuoto è divenuto un valido strumento industriale nel corso del 20simoXX secolo con la l'invenzione della [[lampada a incandescenza]] e delledella [[valvola termoionica|valvole]] ede di un grandegran numero di tecnologie del vuoto che di conseguenza furonosi sono rese disponibili. LoIn particolare lo sviluppo del volo spaziale ha suscitato interesse a proposito dell'impatto del vuoto sulla salute umana.
== Descrizione ==
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 [[molecola|molecole]] per metro cubo. Inoltre, anche supponendo che in una certa regione dello spazio fisico non ci fossero molecole, la presenza dei campi ([[campo gravitazionale|gravitazionale]], [[campo|elettromagnetico]], ecc.) comporterebbe comunque l'assenza di un vuoto completo in tale regione dello spazio.<ref>Si veda la voce "[[Effetto Unruh]]" per un'ulteriore chiarificazione del concetto di vuoto, per come esso è inteso in fisica).</ref>
 
La definizione di "vuoto" spesso non rispecchia la stessa condizione fisica reale a seconda dell'ambito in cui è studiato (ad esempio termodinamica, [[meccanica quantistica]] o [[ingegneria]]). In particolare, quando si parla di "[[grado di vuoto]]" (nel senso di [[porosità]]) e di "[[pompa a vuoto]]" il concetto di vuoto è differente: nel primo caso il vuoto è una parte dello spazio pertinente al solido stesso, ma non necessariamente priva di materia (ad esempio può essere riempito da un fluido, come l'aria o l'acqua), mentre nel secondo caso il vuoto consiste in un limite termodinamico a cui ci avviciniamo al diminuire della pressione. Quando inoltre si parla di "sottovuoto" ci si riferisce a una pressione minore dell'atmosfera, ma non necessariamente nulla.
 
== Gradi di vuoto ==
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* Convertire le molecole di gas alla loro fase solida tramite congelamento ([[Pompa criogenica|criopompa]]).
* Convertirle allo stato solido combinandole elettricamente con altri materiali, ([[pompa ionica]])
* Utilizzare un'altra pompa specializzata.a Adtrascinamento esempiocome una [[pompa turbomolecolare]] o una [[pompa a diffusione]].
 
A pressioni estremamente basse, si verifica nel tempo il fenomeno del rilascio di gas (degasaggiodegassamento) da parte del recipiente a vuoto.
Esistono inoltre altri fenomeni che contrastano la diminuzione della pressione tendendo a introdurre nuove molecole nel recipiente da vuoto, fra le quali vi sono le microperdite, la permeazione, l'introduzione di gas di processo. Importante è avere una elevata conduttanza tra la pompa da vuoto e la scarsacamera conduttanzada 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 considerano questi fenomeni. Il rilascio di gas è più alto ad alte temperature; e anche i materiali che a prima vista non sembrano assorbenti, liberano gas.
 
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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 (elemento chimico)|palladio]], che è come una spugna che trattiene l'[[idrogeno]], comportano importanti problemi di rilascio di gas: per questi motivi, spesso per creare gli impianti da vuoto si utilizzano particolari [[materiali da vuoto]], studiati in modo da ridurre il più possibile i fenomeni che tendono ad aumentare la pressione nella camera da vuoto.
 
Per questi motivi spesso per creare gli impianti da vuoto si utilizzano particolari [[materiali da vuoto]], studiati in modo da ridurre il più possibile i fenomeni che tendono ad aumentare la pressione nella camera da vuoto.
 
Per ottenere il vuoto molto spinto, i recipienti vengono riscaldati a qualche centinaio di gradi Celsius in modo da anticipare il rilascio del gas.
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Le particelle virtuali del vuoto quantistico, caratterizzate dal consueto [[Dualismo onda corpuscolo|binomio onda-particella]] della [[meccanica quantistica]], in uno spazio infinitamente esteso hanno [[lunghezza d'onda]] qualsiasi. Al contrario, in uno spazio limitato, ad esempio fra due pareti, esisteranno solo particelle con lunghezze d'onda che sono sottomultipli interi della distanza fra le pareti stesse, con un'energia inferiore di quella all'esterno. Si potrà perciò misurare una forza-pressione che tende ad avvicinare le pareti ([[effetto Casimir]]).
 
Le particelle sono dette virtuali perché normalmente non producono effetti fisici sperimentabili; in uno spazio limitato, tuttavia, vi sono delle grandezze misurabili, dovute all'interazione con la materia ordinaria.
 
Un altro motivo per l'[[energia del vuoto]] è che le pareti della [[camera a vuoto]] emettono luce in forma di [[corpo nero|radiazione del corpo nero]]: luce visibile, se sono alla temperatura di migliaia di gradi, luce infrarossa, se più fredde. Questa "zuppa" di [[fotone|fotoni]] sarà in [[equilibrio termodinamico]] con le pareti, e si può dire di conseguenza che il vuoto ha una particolare temperatura.
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== Collegamenti esterni ==
* {{Collegamenti esterni}}
* {{cita web|url=http://scienzapertutti.lnf.infn.it/index.php?option=com_content&view=article&id=1758:mezzo-pieno-o-mezzo-vuoto&catid=660:breve-storia-del-vuoto&Itemid=496|titolo=Breve storia del vuoto su Scienzapertutti|urlmorto=sì}}
* {{cita web|url=http://scitation.aip.org/jvsta/|titolo=Journal of Vacuum Science and Technology A|lingua=en}}
* {{cita web|url=http://scitation.aip.org/jvstb/|titolo=Journal of Vacuum Science and Technology B|lingua=en}}