Is There Air in a Vacuum? Understanding Pressure, Matter, and "Empty" Space
La risposta breve: No
Per definizione, un vuoto è uno spazio privo di materia — inclusa l'aria. L'aria è una miscela di gas (principalmente 78% azoto, 21% ossigeno, 1% argon, più gas traccia e vapore acqueo). Rimuovere questi gas crea un vuoto.
Gradi di vuoto: è uno spettro
In pratica, un "vuoto perfetto" (zero particelle, pressione zero) è fisicamente irraggiungibile. Classifichiamo i vuoti per intervallo di pressione:
| Regime | Intervallo di pressione | Ambiente / Applicazione tipica |
|---|---|---|
| Vuoto basso / Vuoto grezzo | 1 atm → 1 mbar (100 Pa) | Aspirapolveri, formatura sottovuoto, degasificazione |
| Vuoto medio | 1 mbar → 10⁻³ mbar | Liofilizzazione, rivestimento, sputtering |
| Vuoto spinto (HV) | 10⁻³ mbar → 10⁻⁷ mbar | Tubi elettronici, acceleratori di particelle, scienza delle superfici |
| Vuoto ultra-spinto (UHV) | 10⁻⁷ mbar → 10⁻¹² mbar | MBE, STM, rilevatori di onde gravitazionali (LIGO) |
| Vuoto estremamente spinto (XHV) | < 10⁻¹² mbar | Fisica delle superfici avanzata, fisica atomica |
Anche nell'UHV (~10⁻¹⁰ mbar), ci sono ~3 milioni di molecole per cm³. Il cammino libero medio supera i 100 km — le molecole colpiscono le pareti della camera molto più spesso di quanto si colpiscano tra loro.
Come vengono creati i vuoti
- Pompe meccaniche (Roughing): Palette rotanti, a diaframma, scroll o roots. Comprimono il gas da atmosferico a ~10⁻² mbar.
- Pompe per vuoto spinto: Turbomolecolari (trasferimento di momento), Criopompe (condensazione su superfici fredde), Pompe a ioni (sputtering/gettering), Pompe a diffusione (getto di vapore). Richiedono supporto da pompa meccanica.
- Gettering / Non-Evaporable Getters (NEG): Leghe reattive (Zr-V-Fe) che legano chimicamente i gas residui (H₂, CO, CO₂, N₂) quando attivate dal calore.
Perché "nessuna aria" è importante: la fisica cambia
- Nessuna convezione/conduzione: Il calore si trasferisce solo per radiazione. Critico per il design termico delle navicelle spaziali e l'isolamento sottovuoto (flaconi termici).
- Nessuna propagazione del suono: Il suono richiede un mezzo.
- Punti di ebollizione più bassi: I liquidi bollono/evaporano rapidamente. Base per liofilizzazione e distillazione sottovuoto.
- Fasci di elettroni/particelle: Viaggio senza impedimenti consente CRT, microscopi elettronici, acceleratori e tubi a raggi X.
- Ridotta ossidazione/contaminazione: Essenziale per deposizione di pellicole sottili, saldatura (fascio elettronico, laser) e lavorazione dei semiconduttori.
Composizione del gas residuo
In un sistema UHV ben pompato, il gas residuo è dominato da Idrogeno (H₂) (che diffonde fuori dalle pareti in acciaio inossidabile) e Monossido di carbonio (CO). I gas nobili e il metano sono minori. Il vapore acqueo è il principale contaminante nei sistemi HV, desorbendo lentamente dalle superfici della camera.