Plasma: cos’è il quarto stato della materia e quali sono le sue proprietà

Gli stati della materia comunemente conosciuti sono tre: solido, liquido e aeriforme. All’aumentare di temperature e pressione uno stato fisico si trasforma in un altro, grazie ai processi di fusione, solidificazione, vaporizzazione, condensazione e sublimazione. Ma siamo sicuri che gli stati della materia siano solamente tre? In fisica e in chimica in realtà si parla anche di altri stati e, tra questi, uno tra i più curiosi è il plasma, cioè un gas ionizzato costituito da elettroni e ioni (la cui carica totale è neutra). Per avere un'idea più chiara, possiamo dire che il plasma è quello stato della materia che permette alle lampade al neon di funzionare! Ma di cosa si tratta esattamente? E quali sono le sue proprietà principali?

I tre stati "base" della materia

Lo stato solido è tipicamente il più compatto, le molecole che lo compongono sono vicine e questo permette al suono di propagarsi il più velocemente possibile. Di norma, lo stato liquido contiene molecole più distanziate e nello stato gassoso questo fenomeno è ancora più amplificato. L’acqua e pochi altri elementi, come gallio, antimonio e bismuto, fanno eccezione a questa regola: infatti, il loro volume allo stato liquido è inferiore.
Ma oltre ai tre stati ‘’base’’ della materia c’è altro? Ebbene sì.

Come si genera il plasma?

In fisica il quarto stato della materia viene detto "plasma" : dal greco πλάσμα, dal latino plasma, che significa "cosa plasmata". Ma a cosa assomiglia?
Prendiamo un gas, l’aria ad esempio, e vi applichiamo una tensione elettrica. Le molecole d’aria vengono ionizzate, generando elettroni liberi e atomi che li hanno perduti, chiamati ioni. Ioni ed elettroni non si ricombinano, ma restano in simbiosi e vagano liberamente, mantenendo neutra la carica elettrica globale. Ecco a voi che abbiamo generato un plasma atmosferico!
Questo nuovo stato fu identificato dal chimico William Crookes alla fine del diciannovesimo secolo e fu chiamato plasma dal fisico Irving Langmuir agli inizi del ventesimo secolo.

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Gli stati della materia: quanti sono e quali sono le loro caratteristiche

Ma dove lo troviamo in natura?

Questo "nuovo" stato descrive moltissimi dei fenomeni dell’universo. Vi siete mai chiesti come si generino i fulmini o le aurore boreali?
I fulmini sono scariche elettriche generate da una differenza di potenziale fra nuvola e terra o fra due nuvole durante un temporale. Questa scarica ionizza localmente l’aria presente nella nostra atmosfera, generando una colonna di plasma. L’aria ionizzata può arrivare a temperature molto elevate, si parla infatti di decine di migliaia di gradi centigradi.

Le aurore boreali sono un altro fenomeno naturale molto affascinante che coinvolge il quarto stato della materia. Sono formate dall’interazione fra il plasma emesso dal Sole, detto plasma solare, e le particelle della ionosfera terrestre, a più di 80 chilometri sopra la nostra testa! Questo fenomeno luminoso crea un plasma "freddo", parliamo infatti di temperature attorno a 1000°C. Le aurore boreali sono conosciute per la loro stupenda colorazione che dipende dalla tipo di gas ionizzato, dalla sua densità e dall’altitudine.

Le applicazioni del plasma

Dalle prime applicazioni scientifiche, come i tubi di Geissler e i tubi di Crookes, si è potuti arrivare ad alcune applicazioni domestiche ben conosciute, come televisori a tubo catodico (qualcuno di voi di sicuro se le ricorderà!), TV al plasma e lampade al neon. Queste ultime sono ancora molto diffuse e sono costituite da un bulbo di vetro contenente del gas, neon appunto, che viene ionizzato grazie ad una scarica elettrica fra i due elettrodi posizionati alle estremità.

Sul plasma si basa anche la fusione nucleare, processo che avviene nelle stelle e che noi umani stiamo cercando di riprodurre qui sulla Terra, per ricavarne energia. Una grande sfida tecnologica che potrebbe essere una soluzione "green" al crescente fabbisogno energetico mondiale!
Un’ultima chicca. Quanti di voi hanno già toccato questo oggetto misterioso?

Si chiama palla di plasma, è una palla di vetro contenente del gas che viene ionizzato grazie all’elettrodo centrale. Le scariche elettriche partono dal centro e vanno in tutte le direzioni, ma prediligono corpi esterni che toccano la sfera e su cui si possono scaricare elettricamente, come, ad esempio, la punta delle nostre dita.