Il plasma è uno stato della materia che è spesso pensato come un sottoinsieme dei gas, ma i due stati si comportano in modo molto diverso. Come i gas, i plasmi non hanno forma o volume fissi, e sono meno densi dei solidi o dei liquidi. Ma a differenza dei gas ordinari, i plasmi sono costituiti da atomi in cui alcuni o tutti gli elettroni sono stati rimossi e i nuclei caricati positivamente, chiamati ioni, vagano liberamente.
“Un gas è fatto di molecole e atomi neutri”, ha detto Xuedong Hu, professore di fisica all’Università di Buffalo. Cioè, il numero di elettroni caricati negativamente è uguale al numero di protoni caricati positivamente.
“Il plasma è un gas carico, con forti interazioni di Coulomb”, ha detto Hu a Live Science. Gli atomi o le molecole possono acquisire una carica elettrica positiva o negativa quando guadagnano o perdono elettroni. Questo processo è chiamato ionizzazione. Il plasma costituisce il sole e le stelle, ed è lo stato della materia più comune in tutto l’universo.
(Il plasma sanguigno, a proposito, è qualcosa di completamente diverso. È la parte liquida del sangue. È composto per il 92% di acqua e costituisce il 55% del volume del sangue, secondo la Croce Rossa Americana.)
Particelle cariche
Un tipico gas, come l’azoto o il solfuro di idrogeno, è fatto di molecole che hanno una carica netta pari a zero, dando al volume del gas nel suo insieme una carica netta pari a zero. I plasmi, essendo fatti di particelle cariche, possono avere una carica netta di zero su tutto il loro volume, ma non a livello delle singole particelle. Ciò significa che le forze elettrostatiche tra le particelle nel plasma diventano significative, così come l’effetto dei campi magnetici.
Essendo fatti di particelle cariche, i plasmi possono fare cose che i gas non possono fare, come condurre l’elettricità. E poiché le cariche in movimento creano campi magnetici, anche i plasmi possono averli.
In un gas ordinario, tutte le particelle si comportano più o meno allo stesso modo. Quindi, se avete del gas in un contenitore e lo lasciate raffreddare a temperatura ambiente, tutte le molecole all’interno si muoveranno, in media, alla stessa velocità, e se doveste misurare la velocità di molte particelle individuali, otterreste una curva di distribuzione con molte di esse che si muovono vicino alla media e solo alcune particolarmente lente o veloci. Questo perché in un gas le molecole, come palle da biliardo, si colpiscono tra loro e trasferiscono energia tra di loro.
Questo non succede in un plasma, specialmente in un campo elettrico o magnetico. Un campo magnetico può creare una popolazione di particelle molto veloci, per esempio. La maggior parte dei plasmi non sono abbastanza densi perché le particelle si scontrino tra loro molto spesso, quindi le interazioni magnetiche ed elettrostatiche diventano più importanti.
Per quanto riguarda le interazioni elettrostatiche, poiché le particelle in un plasma – gli elettroni e gli ioni – possono interagire tramite elettricità e magnetismo, possono farlo a distanze molto maggiori di un gas ordinario. Questo a sua volta significa che le onde diventano più importanti quando si parla di ciò che accade in un plasma. Una di queste onde è chiamata onda di Alfvén, dal nome del fisico svedese e premio Nobel Hannes Alfvén. Un’onda di Alfvén accade quando il campo magnetico in un plasma è disturbato, creando un’onda che viaggia lungo le linee di campo. Non c’è un reale analogo di questo nei gas ordinari. È possibile che le onde di Alfvén siano la ragione per cui la temperatura della corona solare – anch’essa un plasma – è di milioni di gradi, mentre sulla superficie è solo di migliaia.
Un’altra caratteristica dei plasmi è che possono essere trattenuti da campi magnetici. La maggior parte della ricerca sull’energia da fusione si concentra proprio su questo. Per creare le condizioni per la fusione, si ha bisogno di plasma molto caldo – a milioni di gradi. Poiché nessun materiale può contenerlo, gli scienziati e gli ingegneri si sono rivolti ai campi magnetici per fare il lavoro.
Plasmi in azione
Un posto dove si possono vedere i plasmi in azione è in una lampadina fluorescente o un’insegna al neon. In questi casi un gas (neon per le insegne) è sottoposto ad un alto voltaggio, e gli elettroni sono separati dagli atomi del gas o spinti in livelli di energia più alti. Il gas all’interno della lampadina diventa un plasma conduttore. Gli elettroni eccitati che ricadono nei loro precedenti livelli di energia emettono fotoni – la luce che vediamo in un’insegna al neon o in una lampada fluorescente.
I televisori al plasma funzionano allo stesso modo. Un gas – di solito argon, neon o xeno – viene iniettato in uno spazio sigillato tra due pannelli di vetro. Una corrente elettrica viene fatta passare attraverso il gas, che lo fa brillare. Il plasma eccita i fosfori rossi, verdi e blu, che si combinano per dare colori specifici, secondo eBay.
Un altro uso del plasma è nei globi al plasma, che sono pieni di miscele di gas nobili che producono i colori dei “fulmini” al loro interno quando una corrente elettrica ionizza il gas.
Un altro esempio di plasma è nelle aurore che circondano i poli quando il sole è particolarmente attivo. Il vento solare è un flusso di particelle cariche (per lo più protoni), che colpisce il campo magnetico terrestre. Queste particelle, essendo cariche, seguono le linee del campo magnetico e si muovono verso i poli, dove si scontrano ed eccitano gli atomi nell’aria, soprattutto ossigeno e azoto. Come un’insegna al neon, gli atomi di ossigeno e azoto eccitati emettono luce.
Seguite LiveScience su Twitter @livescience. Siamo anche su Facebook & Google+.