Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Il vuoto/Le leggi del vuoto: differenze tra le versioni
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===Il cammino libero medio===
La distanza media tra urti successivi viene detta anche cammino libero medio ed ha una importanza fondamentale per la caratterizzazione delle proprietà del vuoto.
Per introdurre il concetto consideriamo un caso semplificato: un gas con una densità numerica <math>n_N=N/V\ </math> (numero di molecole per unità di volume, il pedice è stato aggiunto per non creare confusione con il numero di moli <math>n\ </math> ) posto in un volume in cui sono contenute molecole identiche di diametro <math>d\ </math>.
Consideriamo un cilindro di lunghezza <math>l\ </math> e raggio <math>d\ </math> (eguale al diametro delle molecole) in cui sia contenuta una sola molecola. Imponiamo che la densità numerica di molecole in tale cilindro sia pari a <math>n_N\ </math>
<math>n_N=\frac 1{l \pi d^2}
A causa della scelta del diametro del cilindro una molecola, eguale alle altre, che percorra il cilindro sicuramente incontrerà una altra molecola. Ma la molecola da urtare si potrebbe trovare anche prima della fine del percorso, aggiungendo tali considerazioni e facendo una analisi statistica, risulta che il cammino che mediamente dovrà compiere una molecola per scontrarsi con un'altra è <math>\lambda=l/\sqrt(2)\ </math>, quindi sostituendo:
<math>\frac 1{\sqrt {2}\lambda \pi d^2}=n_N\ </math>
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{{equazione|eq=<math>\lambda =\frac {k_B T}{\sqrt 2 P \pi d^2}</math>|id=3}}
''Esempio: Nel caso dell'Azoto a temperatura ambiente che ha un diametro di circa 0.3 nm, alla pressione di
===Numero Di Knudsen===
Se le dimensioni del recipiente in cui si fa il vuoto sono molto maggiori del cammino libero medio il vuoto è detto viscoso, in quanto, nella dinamica delle molecole, gli urti delle molecole tra di loro sono il meccanismo dominante, mentre gli urti con le pareti sono poco frequenti. Tale comportamento determina la [[w:Viscosit%C3%A0| viscosità]] del gas, una grandezza macroscopica misurabile (nel caso dell'aria a temperatura ambiente la viscosità vale <math>\eta=2\cdot 10^{-5}\ Pa s</math>. Per dare un ordine di grandezza per pressioni superiori a qualche centinaio di Pascal si è in genere in regime viscoso (per recipienti di dimensioni macroscopiche di qualche mm). Infatti a temperatura ambiente, per le molecole presenti nell'aria il cammino libero medio a tali pressione è minore di
Al contrario al diminuire della pressione il cammino libero medio aumenta fino a raggiungere le dimensioni del contenitore qualsiasi esso sia, in tali condizioni gli urti tra le molecole diventano altamente improbabili, mentre gli urti con le pareti del contenitore diventano il meccanismo dinamico dominante. Tale regime in cui le molecole si comportano come particelle isolate viene chiamato regime molecolare: a pressioni basse si è sempre in tale regime.
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<math>0.01 < Kn < 1\ </math>.
Mentre il comportamento del vuoto nel regime viscoso è molto simile al comportamento dei [[w:fluido|fluidi]] che si osservano nella vita di tutti i giorni (acqua, aria eccetera), infatti è semplicemente un fluido compressibile che segue le leggi della meccanica dei fluidi ben sviluppata e studiata. Al contrario nel regime molecolare il comportamento del vuoto si discosta di molto dal comportamento dei fluidi normali, ricorda molto di più il comportamento di punti materiali isolati che rimbalzano in maniera più o meno casuale con le pareti del recipiente in cui sono contenuti. La dinamica dell'urto con le pareti gioca in questo caso un ruolo essenziale. Infatti l'urto con le pareti da parte degli atomi o molecole che compongono il gas non è un urto elastico, ma in genere la molecola urta e rimane attaccata alla parete da forza di natura atomica più o meno
===Impianto da vuoto===
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[[Immagine:Schema_di_un_sistema_da_vuoto.png|thumb|300px|Schema di un impianto da vuoto]]
Un sistema da vuoto, in maniera schematica, viene rappresentato nella figura a fianco.
Il recipiente che viene mantenuto sotto vuoto è caratterizzato dal suo volume, la pressione e la temperatura. Attraverso un condotto il gas viene portato via da una pompa da vuoto.
Per quantizzare la quantità di materia che viene prodotta nel sistema nell'unità di tempo si utilizza il carico (traduzione poco efficace dall'inglese ''load'') rappresentato dal simbolo <math>Q\ </math>. Tale grandezza rappresenta la quantità di materia che deve essere portata via dal condotto nell'unità di tempo se si vuole mantenere la pressione bassa.
{{equazione|eq=<math>Q=p\dot V</math>}}
Con maggiore rigore la quantità di materia da portare via nell'unità di tempo dovrebbero essere il numero di molecole presenti
La grandezza <math>\dot V\ </math>, la derivata temporale del volume che nel linguaggio del vuoto viene spesso denominata velocità di aspirazione, viene spesso indicata con il simbolo <math>S\ </math> (dall'inglese speed).
In un sistema da vuoto vari processi concorrono alla creazione del carico <math>Q\ </math>. Se il sistema si trova ad una pressione prossima a quella atmosferica per portarlo sotto vuoto è proprio il gas aspirato che concorre al carico. In genere fino a pressioni dell'ordine del Pascal questa è la causa principale di carico, cioè il gas contenuto nella camera da vuoto che viene rimosso via via. Al diminuire della pressione vi sono altre cause che aumentano il carico, principalmente il degassamento delle pareti e l'evaporazione dei materiali ad elevata tensione di vapore. Il carico dovuto alla tensione di vapore viene spiegato dal principio dell'equilibrio mobile di [[w:Principio_di_Le_Châtelier|Le Chatelier-Braun]], che stabilisce che variando uno dei parametri che caratterizzano un sistema all'equilibrio, il sistema reagisce nella direzione che si oppone al disturbo. Nel caso trattato del sistema da vuoto, si ha che aspirando con la pompa si provoca diminuzione di pressione nella camera da vuoto, il sistema si oppone al disturbo facendo evaporare i materiali che
Se infine nel sistema da vuoto vi sono perdite verso la pressione esterna, tali perdite rappresentano una ulteriore componente del carico che deve essere aspirato dal sistema per mantenerlo sotto vuoto. La localizzazione di eventuali perdite verso l'esterno è un problema importante negli impianti da vuoto. Esistono degli strumenti opportuni chiamati cercafughe (in inglese ''leak detectors'') che utilizzano la combinazione della [[w:Spettrometria_di_massa|spettrometria di massa]] e un gas raro nell'atmosfera, ma con elevata [[w:Permeabilità|permeabilità]] quali l'[[w:Elio|Elio]] per trovare le perdite presenti se molte piccole. Perdite grandi si trovano sia mettendo sotto lieve pressione il sistema ed utilizzando acqua saponata (una tecnica simile a quella usata per la riparazione dlele camere d'aria) o utlizzando gli strumenti da vuoto che variano la loro risposta con la composizione
===Degassamento===
Il processo di degassamento è un fenomeno particolare che avviene sotto vuoto ed è dovuto,entrando nel dettaglio, o ad adsorbimento fisico (con poca energia di legame) di gas sulla superficie del sistema o da legami con maggiore energia di legame quindi di natura più tipica della chimica. Ossidi o nitruri sulle superfici rappresentano un tipico esempio di tali legami. In genere ad ogni temperatura e pressione esiste un equilibrio dinamico tra il processo di adsorbimento dei gas presenti nel sistema (che contribuisce alla diminuzione di pressione del sistema) ed il processo opposto il desorbimento o degassamento che contribuisce al carico. In genere se portiamo un sistema da vuoto a pressione atmosferica le pareti a livello superficiale adsorbono i gas presenti (in maniera diversa a seconda delle loro proprietà chimiche) che vengono rilasciati nel processo successivo di desorbimento riportando il sistema sotto vuoto.▼
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Un altro fenomeno con caratteristiche diverse è l' [[w:absorbimento|absorbimento]] che riguarda la ritenzione fisica dei all'interno del solido in profondità (in inglese si direbbe il ''bulk''), non la loro parte superficiale come nel caso dell'adsorbimento. L'absorbimento riguarda solo alcuni gas, quelle in cui le molecole costituento hanno dimensioni molto piccole, come l'Elio, l'Idrogeno e l'Ossido di carbonio, tali gas che possono entrare nella struttura solida e diffondersi nel suo interno. Il solido si comporta per questi gas come una spugna. La quantità di gas absorbita può raggiungere valori considerevoli, fino a un atomo absorbito per ogni atomo di solido. Quando il sistema viene messo in condizioni di vuoto, lentamente questi atomi absorbiti diffondono fino alla superficie e da qui nel sistema e rappresentano materiale che deve essere asportato da sistemi di pompaggio. Nel caso di materiali absorbiti la loro rimozione può richiedere tempi molto lunghi, anche di anni!▼
▲Un altro fenomeno con caratteristiche diverse è l' [[w:absorbimento|absorbimento]], che
▲Molte molecole presenti nell'aria, e in maniera marcata l'acqua, vengono facilmente [[w:adsorbimento|adsorbite]] sulla superficie delle parti presenti nel sistema. Il processo contrario all'adsorbimento si chiama desorbimento. Alcune molecole hanno una energia di legame molto piccola (< 0.3 eV) e quindi facilmente vengono rimosse dal sistema da vuoto (a causa anche della agitazione termica). Altre molecole hanno un legame più forte e quindi richiedono tempi molto lunghi per essere rimosse dalla superfice. Quando un sistema da vuoto viene portato a pressione atmosferica le molecole di gas formano una fase assorbita su tutte le superfici. Per questa ragione invece di portare il sistema a pressione atmosferica con l'aria, si preferisce usare Azoto secco, che avendo una energia di legame con l'acciaio inossidabile di 0.12 eV, permette un rapido degassamento. Per questa ragione l'acciaio inossidabile è in genere il principale componente degli impianti da vuoto. Quando si passa da pressione atmosferica a <math>10^{-2}\ mbar</math>, operazione che richiede in genere pochi minuti, il degassamento non rappresenta un problema. Al di sotto di questo vuoto il degassamento diventa il fenomeno principale che rallenta il raggiungimento del vuoto limite. In regime molecolare si ha la complicazione ulteriore che le molecole desorbite da una parete possono attaccarsi ad una altra parete rallentando il processo di rimozione. Il degassamento non è solo prodotto dal desorbimento, ma anche dalla diffusione nel solido di gas leggeri come idrogeno, elio, ossido di carbonio che sono dissolti facilmente nell'interno dei solidi che costituiscono la camera da vuoto. Un centimetro cubo di acciaio inossidabile può contenere un volume di gas paragonabile a quello che occuperebbe il gas stesso a pressione atmosferica.
Il degassamento è prodotto dal processo inverso dell'absorbimento e adsorbimento. In pratica durante il tempo di raggiungimento del vuoto limite, che è dell'ordine di varie ore, la principale sorgente di gas sono i gas che vengono desorbiti dalle superfici della camera o adsorbiti nel bulk. La quantità di gas
=== Conduttanza ===
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