Définition du plasma (état de la matière, physique et chimie)

Ange Zamora Ramírez
Licence en physique

Le plasma est un fluide gazeux dont une fraction est ionisée, c'est-à-dire qu'il a une quantité considérable d'ions et d'électrons libres, constituant le quatrième état d'agrégation du la matière.

Solide, liquide et gaz... Peut-être que la plupart d'entre nous connaissent ces trois états du matière, cependant, il existe un quatrième état d'agrégation qui découle de l'état gazeux et que nous passons souvent par haut. Il s'agit de plasma, un gaz ionisé que l'on peut trouver dans les étoiles, les écrans plasma, le feu, etc.

Plasma en tant qu'état d'agrégation

Lorsque la matière est à l'état solide, ses atomes ou molécules sont soumis à des forces de cohésion entre eux et forment des structures définies. Si nous modifions la température ou la pression d'un solide de telle sorte que ses molécules ils commencent à bouger davantage, finalement les forces intermoléculaires diminuent et nous passons à l'état liquide.

A l'état liquide, les forces de cohésion entre les molécules sont moindres qu'à l'état solide. La matière à l'état liquide a une structure moins organisée et n'a donc pas de volume défini. Comme dans le cas précédent, si on modifie la température ou la pression du liquide on peut le faire passer à l'état gazeux.

Dans un gaz, les forces intermoléculaires sont très faibles et dans certains cas pratiquement nulles. Les gaz sont considérés comme des fluides dans lesquels les molécules qui les composent se déplacent librement. En augmentant la température ou la pression d'un gaz, plus de mouvement des molécules qui le composent est généré et le nombre de collisions augmente également. Ces collisions peuvent amener les électrons de certains atomes à se libérer de leurs orbitales et à se libérer.

C'est à ce moment qu'un plasma est généré, un gaz ionisé avec une certaine quantité de cations (ions positifs) et d'électrons libres. Les charges électriques libres font des plasmas d'excellents conducteurs électriques et répondent également aux champs électromagnétiques.

On pourrait dire que ce nouvel état de la matière a été étudié pour la première fois par William Crookes dans ses expériences avec les rayons cathodiques dans les années 1880. Cependant, c'est le physicien Irving Langmuir qui, en 1928, a inventé le terme "plasma" pour désigner ce gaz ionisé qui sera plus tard considéré comme un autre état de la matière.

Plasma sur Terre et dans l'Univers

Le plasma est considéré comme l'état d'agrégation le plus abondant de la matière. Près de 99% de la matière baryonique que nous pouvons observer dans l'Univers est à l'état plasmatique.

Cela ne s'applique clairement pas à notre planète, puisque la majeure partie de la matière que nous observons ici se trouve dans les trois autres états d'agrégation. Cependant, il existe certains endroits ou phénomènes où l'on peut observer la matière à l'état plasmatique. La foudre que l'on peut observer lors d'un orage résulte de l'ionisation des gaz dans l'atmosphère. L'ionosphère, qui est la couche ionisée de l'atmosphère due au rayonnement solaire, est aussi un plasma, tout comme les les aurores polaires qui peuvent être observées à la suite de l'interaction entre le champ magnétique terrestre et les vents solaire.

Dans l'Univers, nous pouvons trouver du plasma presque partout. Les étoiles elles-mêmes sont de grandes sphères de plasma résultant de réactions thermonucléaires qui se produisent dans leur noyau. De plus, la chaleur générée par les étoiles ionise également le milieu gazeux qui les entoure, de manière générale on peut dire que le milieu interstellaire est aussi un plasma. Aussi, les étoiles ont tendance à expulser de gros jets de particules chargées que nous appelons "vents solaires" et qui sont de la matière à l'état plasmatique. De nombreuses nébuleuses que l'on peut voir à divers endroits de l'Univers ne sont rien de plus que du gaz ionisé qui entoure une ou plusieurs étoiles.

Dans notre quotidien, nous pouvons également trouver plusieurs exemples de l'utilisation technologique du plasma. Les écrans plasma, comme leur nom l'indique, utilisent des compartiments remplis de gaz nobles qui s'ionisent et émettent de la lumière. Nous pouvons également trouver du plasma dans des tubes fluorescents, des néons et des lampes à plasma qui sont utilisés à des fins décoratives.

Un cinquième état de la matière ?

Des expériences récentes menées dans des conditions extrêmes ont réussi à obtenir ce que beaucoup considèrent comme le cinquième état d'agrégation de la matière. Il s'agit du Quark-Gluon Plasma, un type de plasma composé de quarks et de gluons libres.

Les quarks et les gluons sont les éléments constitutifs des protons et des neutrons qui composent les noyaux atomiques. Le plasma de quarks et de gluons est obtenu dans les accélérateurs de particules lorsque des noyaux lourds de plomb ou d'or entrent en collision. La collision entre les noyaux génère suffisamment de température pour que pendant quelques instants les quarks et les gluons soient libres et que le plasma se forme.

L'étude du plasma de quarks et de gluons est particulièrement pertinente car lors des premiers instants après le Big Bang et avant la formation des premiers atomes, on pense que la matière existante se trouvait dans ce État.