Definizione di plasma (stato della materia, fisica e chimica)

Angelo Zamora Ramirez
Laurea in fisica

Il plasma è un fluido gassoso in cui una frazione di esso è ionizzata, cioè ha a notevole quantità di ioni ed elettroni liberi, che costituiscono il quarto stato di aggregazione del soggetto.

Solido, liquido e gassoso... Forse la maggior parte di noi conosce questi tre stati del materia, però, c'è un quarto stato di aggregazione che segue dallo stato gassoso e che noi spesso attraversiamo alto. Si tratta del plasma, un gas ionizzato che possiamo trovare nelle stelle, negli schermi al plasma, nel fuoco, ecc.

Il plasma come stato di aggregazione

Quando la materia è allo stato solido, i suoi atomi o molecole sono soggetti a forze coesive tra di loro e formano strutture definite. Se cambiamo la temperatura o la pressione di un solido in modo tale che le sue molecole iniziano a muoversi di più, alla fine le forze intermolecolari diminuiscono e andiamo allo stato liquido.

Allo stato liquido le forze coesive tra le molecole sono minori che allo stato solido. La materia allo stato liquido ha una struttura meno organizzata e quindi non ha un volume definito. Come nel caso precedente, se modifichiamo la temperatura o la pressione del liquido possiamo farlo passare allo stato gassoso.

In un gas le forze intermolecolari sono molto piccole e in alcuni casi praticamente nulle. I gas sono considerati fluidi in cui le molecole che li compongono si muovono liberamente. Aumentando la temperatura o la pressione di un gas, si genera più movimento delle molecole che lo compongono e aumenta anche il numero di collisioni. Queste collisioni possono far sì che gli elettroni di alcuni atomi si liberino dai loro orbitali e si liberino.

È a questo punto che si genera un plasma, un gas ionizzato con una certa quantità di cationi (ioni positivi) ed elettroni liberi. Le cariche elettriche libere rendono i plasmi ottimi conduttori elettrici e rispondono anche ai campi elettromagnetici.

Si potrebbe dire che questo nuovo stato della materia fu studiato per la prima volta da William Crookes nei suoi esperimenti con i raggi catodici negli anni Ottanta dell'Ottocento. Tuttavia, fu il fisico Irving Langmuir che nel 1928 coniò il termine "plasma" per riferirsi a questo gas ionizzato che in seguito sarebbe stato considerato un altro stato della materia.

Il plasma sulla Terra e nell'Universo

Il plasma è considerato lo stato più abbondante di aggregazione della materia. Quasi il 99% della materia barionica che possiamo osservare nell'Universo è allo stato plasmatico.

Questo chiaramente non si applica al nostro pianeta, poiché la maggior parte della materia che osserviamo qui si trova negli altri tre stati di aggregazione. Tuttavia, ci sono alcuni luoghi o fenomeni in cui possiamo osservare la materia allo stato plasmatico. I fulmini che possiamo osservare durante un temporale derivano dalla ionizzazione del gas nell'atmosfera. Anche la ionosfera, che è lo strato ionizzato dell'atmosfera dovuto alla radiazione solare, è un plasma, così come aurore polari che possono essere osservate come risultato dell'interazione tra il campo magnetico terrestre e i venti solare.

Nell'Universo possiamo trovare plasma quasi ovunque. Le stelle stesse sono grandi sfere di plasma risultanti da reazioni termonucleari che avvengono nei loro nuclei. Inoltre il calore generato dalle stelle ionizza anche il mezzo gassoso che le circonda, in termini generali possiamo dire che anche il mezzo interstellare è un plasma. Inoltre, le stelle tendono ad espellere grandi getti di particelle cariche che chiamiamo "venti solari" e che sono materia allo stato plasmatico. Molte delle nebulose che si possono osservare in vari luoghi dell'Universo non sono altro che gas ionizzato che circonda una o più stelle.

Nel nostro quotidiano possiamo anche trovare diversi esempi dell'uso tecnologico che ha il plasma. Gli schermi al plasma, come suggerisce il nome, utilizzano scomparti pieni di gas nobili che si ionizzano ed emettono luce. Possiamo anche trovare il plasma in tubi fluorescenti, luci al neon e lampade al plasma utilizzate per scopi decorativi.

Un quinto stato della materia?

Recenti esperimenti condotti in condizioni estreme sono riusciti ad ottenere quello che molti considerano il quinto stato di aggregazione della materia. Questo è il Quark-Gluon Plasma, un tipo di plasma costituito da quark liberi e gluoni.

Quark e gluoni sono gli elementi costitutivi dei protoni e dei neutroni che costituiscono i nuclei atomici. Il plasma di quark e gluoni si ottiene negli acceleratori di particelle quando entrano in collisione nuclei pesanti di piombo o oro. La collisione tra i nuclei genera una temperatura tale che per alcuni istanti i quark ei gluoni si liberano e si forma il plasma.

Lo studio del plasma di quark e gluoni è particolarmente rilevante perché durante i primi momenti dopo il Big Bang e prima della formazione dei primi atomi, si ritiene che la materia esistente fosse in questo stato.