Plasma, il quarto stato della materia: cos'è ed esempi

Che cos’è il plasma

Il plasma è materia in cui una parte degli elettroni si è staccata dagli atomi e si muove libera. Gli atomi rimasti senza quegli elettroni hanno una carica positiva e si chiamano ioni. Secondo il Dipartimento dell’Energia statunitense (DOE), è questo il tratto che lo separa dagli altri stati: in un solido, in un liquido o in un gas gli elettroni restano legati vicino ai nuclei.

La Treccani lo descrive come un gas con molti atomi ionizzati che, preso nel suo insieme, non porta carica elettrica. Le due cose stanno insieme grazie alla quasi-neutralità: in ogni piccola regione le cariche positive e quelle negative si bilanciano quasi esattamente, ed è una condizione richiesta perché un insieme di cariche si possa chiamare plasma.

Perché il plasma è il quarto stato della materia

Nei passaggi di stato tra solido, liquido e gas si può pensare a un liquido come a un solido più caldo. Il DOE avverte che col plasma il paragone non funziona allo stesso modo, perché il plasma ha proprietà che un gas non ha.

La più evidente è che conduce la corrente elettrica. Elettroni liberi e ioni sono cariche in movimento, e in un gas freddo mancano. La NASA ricorda che, proprio perché conduce così bene, il plasma si muove seguendo i campi elettromagnetici che riempiono lo spazio. Per lo stesso motivo risente in modo forte dei campi magnetici, cosa che sfruttano le macchine per la fusione.

C’è poi il modo in cui le particelle si influenzano. In un gas di solito si urtano a coppie e da vicino; nel plasma, scrive la Treccani, prevalgono forze elettriche a lungo raggio e ogni particella interagisce con moltissime altre nello stesso momento. È il comportamento collettivo del plasma; secondo il DOE è dalle interazioni complesse tra elettroni e ioni che nascono onde e instabilità.

Caratteristica	Gas comune	Plasma
Elettroni	Legati agli atomi	In parte liberi
Particelle	Atomi o molecole neutre	Elettroni liberi, ioni positivi e, se la ionizzazione è parziale, particelle neutre
Carica complessiva	Neutra	Quasi neutra (quasi-neutralità)
Corrente elettrica	Da freddo non la conduce	La conduce facilmente
Campi magnetici	Da freddo non ne risente in modo forte	Ne risente in modo forte
Interazioni	A coppie, a corto raggio	Forze elettriche a lungo raggio, comportamento collettivo

Il DOE elenca il plasma tra i quattro stati della materia, insieme a gas, liquidi e solidi. La NASA lo chiama quarto stato della materia e la Treccani quarto stato di aggregazione.

Come si forma il plasma: la ionizzazione

Il plasma nasce dalla ionizzazione, il processo con cui un atomo, o un gruppo di atomi, acquista carica elettrica e da neutro diventa ione. Staccare un elettrone ha un costo: bisogna fornire all’atomo un’energia, chiamata energia di ionizzazione. Secondo la Treccani può venire dal calore, che la voce chiama agitazione termica, dagli urti con particelle cariche o da radiazioni come la luce, l’ultravioletto, i raggi X e i raggi gamma.

Il calore funziona così. Più un gas è caldo, più le sue particelle corrono, e a temperature molto alte un urto tra due atomi può bastare a staccare un elettrone: è ciò che accade nell’atmosfera del Sole. Nello spazio, aggiunge il DOE, il plasma può nascere anche dall’impatto di fotoni molto energetici, come i raggi gamma, sugli atomi.

Vicino al suolo, invece, il plasma non dura. Nell’aria che respiriamo un elettrone strappato a un atomo, per esempio da un raggio cosmico, viene ricatturato in poco tempo.

Quanto è ionizzato un plasma lo dice un numero, il grado di ionizzazione, indicato con la lettera greca alfa. Si ottiene dividendo la densità degli elettroni per la somma tra la densità degli elettroni e quella delle particelle neutre. Se di particelle neutre non ne resta nessuna, la frazione vale 1; se gli elettroni liberi sono pochissimi, si avvicina a 0. La formula diventa ambigua quando nel plasma ci sono anche ioni negativi.

Plasmi caldi e plasmi freddi

La Treccani usa due criteri per ordinarli: la densità (plasmi densi e rarefatti) e la temperatura (plasmi caldi e freddi).

Per il DOE la maggior parte del plasma dell’universo è ad alta temperatura: si possono superare i 10.000 gradi Fahrenheit, e tutti gli atomi possono risultare ionizzati. Nei plasmi a bassa temperatura gli atomi sono ionizzati solo in parte, e il plasma può essere freddo, perfino a temperatura ambiente.

Esempi di plasma in natura: Sole, stelle e fulmini

Le stime della sua diffusione cambiano da fonte a fonte. La NASA, che lo dice raro sulla Terra, gli attribuisce il 99,9% dell’universo visibile; per il DOE è il 99% della materia visibile, per la Treccani circa il 99% della materia dell’universo.

Gran parte di questo plasma sta nelle stelle, Sole compreso, nelle nebulose e nella materia interstellare. Il DOE descrive anche come nasce una stella: la gravità comprime e scalda un gas, gli urti tra gli atomi ne strappano gli elettroni e si forma plasma. Più vicino a noi, la Treccani conta tra i plasmi naturali la scarica di un fulmine, come quelli dei temporali. Il DOE indica come plasma anche un tipo particolare di fulmine, il fulmine globulare.

La ionosfera comincia a circa 70-80 km di quota, ed è plasma perché lassù la luce solare a lunghezza d’onda corta, dall’ultravioletto ai raggi X, stacca elettroni dagli atomi. Oltre i 200 km, dove le particelle si urtano di rado, resta ionizzata sia di giorno sia di notte. Tra i pianeti del sistema solare scorre invece il vento solare, un plasma che viaggia a circa 400 km al secondo e dà forma alla parte più esterna del campo magnetico terrestre.

Esempio pratico: il DOE indica nel plasma la causa dell’aurora boreale. Il vento solare fornisce l’energia, e secondo la NASA un fenomeno chiamato riconnessione magnetica, sul lato notturno della Terra, può spingere particelle verso i poli e accendere le aurore.

Il plasma nella tecnologia: lampade, chip e fusione

Il plasma più facile da incontrare in casa sta nelle lampade. La Treccani cita il gas luminoso delle lampade ad arco e quello dei tubi al neon; gli schermi al plasma usano invece una griglia di minuscoli plasmi controllati, ciascuno dei quali emette luce.

Esempio pratico: in una lampada fluorescente c’è un gas inerte rarefatto con una piccola frazione di vapore di mercurio. Premuto l’interruttore, la corrente riscalda quel gas e ne mette in agitazione le particelle finché diventa plasma e fa luce. Su un meccanismo simile si accendono le insegne al neon e molti lampioni.

L’industria lo usa per trattare le superfici dei materiali, per esempio con l’incisione al plasma (plasma etching), e la ricerca sul plasma finanziata dal DOE ha migliorato la fabbricazione dei semiconduttori che finiscono anche nei telefoni e nelle automobili. Le torce al plasma lanciano un getto attorno ai 10.000 °C, abbastanza per fondere e saldare metalli difficili da fondere come il molibdeno e il tantalio.

In laboratorio, spiega il DOE, per ottenere plasma si investono gli atomi con campi elettromagnetici, fasci laser o scariche ad alta tensione. Poi c’è la fusione nucleare. Secondo ITER è dentro un plasma che gli elementi leggeri possono fondersi e liberare energia, in una stella come in una macchina a fusione. In un tokamak una forte corrente elettrica ionizza il gas combustibile e lo trasforma in plasma; sistemi di riscaldamento ausiliari lo portano poi tra 150 e 300 milioni di °C. Dato che le sue particelle sono cariche, grandi bobine magnetiche lo modellano e lo tengono lontano dalle pareti. Per il DOE confinare il plasma è un passo chiave per i tokamak e gli stellarator, le macchine che potrebbero un giorno fornire energia da fusione.

Da dove viene il nome «plasma»

Alla fine dell’Ottocento William Crookes studiava le scariche elettriche nei gas rarefatti e scrisse di avere davanti materia in un quarto stato, lontana dal gas quanto il gas lo è dal liquido. La chiamò materia radiante, un termine che Mario J. Pinheiro, nel suo studio sull’origine della parola, attribuisce a Faraday. Gli esperimenti successivi di J. J. Thomson mostrarono che quella materia era fatta di corpuscoli elettrizzati, che in seguito presero il nome di elettroni.

Il nome arrivò con Irving Langmuir (1881-1957), chimico e fisico statunitense che studiava le scariche nei gas alla General Electric. Secondo Pinheiro il primo uso scritto di «plasma» per un gas ionizzato è in un suo articolo del 1928. Le date però oscillano: il collega Harold Mott-Smith, in una lettera a Nature del 1971, ricordava che la proposta era nata nel 1927 durante gli studi sulle scariche in vapore di mercurio, e la Treccani data il termine al 1929. Langmuir ricevette poi il Nobel per la chimica nel 1932, per la chimica delle superfici.

La parola, che dal greco antico richiama l’idea di modellare, circolava da decenni nelle scienze della vita. Il fisiologo ceco Jan Evangelista Purkyně l’aveva usata per il liquido che resta togliendo i corpuscoli dal sangue. Secondo ITER la scelta nacque da un’analogia: nella scarica viaggiavano particelle cariche e impurità, un po’ come i globuli nel plasma del sangue. Alla comunità scientifica servì un po’ di tempo per accettare un termine medico con un significato nuovo.