Plasmas: el cuarto estado de la materia Junio 4, 2008
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La primera vez que la palabra plasma apareció impresa en un texto científico relacionado con el estudio de las descargas eléctricas en gases data de 1928. Irving Langmuir publicó ese año su artículo Oscilaciones en gases ionizados en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos. Fue el bautizo del estado de la materia predominante en el universo conocido (se estima que hasta el 99 % de la materia es plasma), aunque no en nuestro planeta, donde las condiciones de presión y temperatura hacen que nos parezcan comunes los estados de la materia —sólido, líquido y gaseoso— que en términos globales son exóticos.
Basta añadir energía al sólido (en forma de calor o de radiación electromagnética) para pasar al estado líquido, a partir del cual se obtiene gas mediante un aporte adicional de energía. Si seguimos añadiendo energía al gas lo ionizaremos parcial o totalmente, esto es, arrancaremos electrones de los átomos o moléculas que lo constituyen. Alcanzamos de esa forma un nuevo estado de la materia, el plasma, constituido por electrones libres, átomos y moléculas (partículas eléctricamente neutras) e iones (dotados de carga eléctrica positiva o negativa).
La energía necesaria para generar un plasma puede suministrarse de varias maneras: mediante el calor originado en un proceso de combustión, mediante la interacción entre radiación láser y un sólido, líquido o gas, o mediante descargas eléctricas en gases, en las que los electrones libres toman energía del campo eléctrico aplicado y la pierden en procesos de excitación e ionización de los átomos y moléculas del gas.
La luz emitida por un plasma, su espectro de emisión característico, viene determinada por el tipo de átomos, moléculas e iones que lo forman. Estos componentes, al desexcitarse, emiten radiación electromagnética, visible o no. Una de las peculiaridades de los plasmas es que conducen la electricidad. A escala macroscópica, los plasmas son, no obstante, eléctricamente neutros, ya que el número de cargas positivas y negativas es similar. Así, la llama producida por la combustión de la cera de una vela con el oxígeno del aire —ejemplo habitual de plasma muy poco ionizado— puede conducir la electricidad.
El estudio de fenómenos naturales comunes en nuestro mundo nos ha enseñado que los rayos, las auroras, la ionosfera y las descargas eléctricas recientemente descubiertas en la alta atmósfera (entre 50 y 90 Km de altura) son distintos tipos de plasmas naturales presentes en la envoltura gaseosa de nuestro planeta. Más allá de la Tierra, hay plasmas en el Sol y las demás estrellas, en el viento solar, en la cola de los cometas y en el espacio interestelar.
Las primeras observaciones relacionadas con los plasmas se remontan a los experimentos de Georg Christoph Lichtenberg, profesor de la Universidad de Gotinga en el último tercio del siglo XVIII y hoy más recordado como escritor. Al situar un material aislante entre un electrodo puntiforme y una placa metálica, y someterlo a una elevada tensión electrostática, observó unos bellos patrones radiantes con formas arborescentes. Tales patrones obedecían a la ruptura dieléctrica del material. Los primeros intentos de explicar las observaciones de Lichtenberg se deben a Michael Faraday, quien dedicó algunos años de su vida (1816-1819) al estudio de las características de la materia cuando aumentaba su temperatura, aunque no llegó a dilucidar la posible existencia de un nuevo estado de la materia más allá del gaseoso.
Otro físico inglés, William Crookes, descubrió en 1879 una “materia radiante” de color verde, con patrones estriados, que aparecía al aplicar voltajes entre unos electrodos instalados dentro de un tubo de vidrio, relleno sólo con el aire que quedaba tras haber hecho un cierto vacío. Además, cerca del cátodo observó una región oscura, la zona oscura de Crookes. Estas observaciones le llevaron a postular la existencia de un cuarto estado de la materia.
Conjeturó que estaba formado por moléculas de gas dotadas de carga eléctrica, es decir, por iones. Antes de estos trabajos, en 1857, Werner von Siemens ya había patentado un proceso industrial que se valía de plasmas para la producción de ozono: un flujo de oxígeno atravesaba una descarga eléctrica anular entre dos electrodos concéntricos, uno de los cuales llevaba adherido un material aislante a modo de barrera dieléctrica. Aunque Siemens ignoraba las razones científicas últimas en las que se basaba su método, le resultó muy eficiente y rentable.
Los trabajos de J. J. Thomson sobre los rayos catódicos en descargas eléctricas en gases y su descubrimiento del electrón en 1897 le merecieron la concesión del Nobel de física de 1906. La suya fue una contribución notable al conocimiento de la estructura de los átomos (compuestos por un núcleo positivo y electrones cargados negativamente), y con ello ayudó, de paso, a aclarar la naturaleza de los plasmas. El primer intento de dar una visión global de la física de las descargas en gases se debe a Johannes Stark y a su libro titulado Elektrizität in Gasen, publicado en Alemania en 1902.
