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Il quarto stato della materia

Fatto di elettroni liberi e di atomi che li hanno perduti, il plasma è lo stato della materia in cui dominano le interazioni collettive tra le particelle. Sulla Terra troviamo materia solida, liquida o gassosa, ma in realtà è il plasma, quarto stato della materia, a rappresentare la componente più abbondante dell’Universo, ben il 99%. Di plasma sono fatte le stelle e gli spazi interstellari, le luci al neon e le aurore boreali

Né solido né liquido né gassoso

Non di materia solida, liquida o gassosa, ma al 99% di plasma, un miscuglio di elettroni liberi e ioni – cioè atomi che hanno perso elettroni – è fatto l’Universo visibile. Certo per chi vive sulla Terra, un’isola di materia ‘ordinaria’ dispersa in questo oceano di plasma, è piuttosto difficile rendersene conto, eppure è così.

La forma definita dei solidi, il comportamento sfuggente dei liquidi o l’impalpabilità dei gas, che rappresentano la regola nel nostro mondo, scompaiono al confronto con il plasma che forma l’Universo visibile, e molto probabilmente anche quello invisibile. Il plasma forma le stelle e riempie i vuoti interstellari, dà origine alla corona solare, è responsabile delle aurore boreali e dei lampi di luce e – più modestamente – induce la luminescenza delle lampade al neon. Il fisico inglese William Crookes ha identificato sul finire dell’Ottocento questo stato della materia, che poi il chimico e fisico statunitense Irving Langmuir ha battezzato ufficialmente nel 1927 durante le sue ricerche sui gas ionizzati.

I plasmi si formano ad alte temperature (e quindi a energie elevate) perché serve energia – termica, elettrica, luminosa – per strappare elettroni agli atomi neutri ed evitare che questi ultimi si ricombinino con gli ioni. I plasmi più ‘freddi’ – come quelli atmosferici che danno origine alle aurore boreali – hanno temperature dell’ordine dei 1.000 °C, mentre i ‘caldissimi’ plasmi che si trovano nelle stelle raggiungono temperature di molti milioni di gradi.

Anche la densità, l’altra grandezza fondamentale per descrivere un plasma, varia enormemente, passando dalla rarefazione dei vuoti spazi interstellari (dell’ordine di migliaia di particelle cariche per metro cubo) all’elevata densità che contraddistingue il nucleo delle stelle (oltre 10²⁵ particelle/m³, cioè dieci milioni di miliardi di miliardi di particelle in un solo metro cubo).

Per descrivere il comportamento di un plasma, a differenza di quanto accade in genere per i gas, non basta prendere in esame gli urti tra particelle vicine, perché nei plasmi esistono anche forze interparticellari (cioè che agiscono tra diverse particelle) ad ampio raggio d’azione. I comportamenti collettivi indotti da queste forze permettono ai plasmi di trasportare correnti elettriche, generare campi magnetici interni e subire l’influenza di quelli esterni.

Plasmi celesti, marini e terrestri

Il quarto stato della materia domina, come accennato, nell’Universo e oggi sembra che molti fenomeni dell’astrofisica – dai fasci di onde radio al comportamento delle stelle di neutroni – dipendano dalle proprietà dei plasmi; le stesse aurore boreali visibili sul nostro pianeta in prossimità dei Poli dipendono dall’interazione tra il plasma emesso dal Sole (vento solare) e le particelle della ionosfera terrestre. Ma esistono plasmi molto più vicini a noi, come le luci al neon, i laser e gli schermi dei moderni televisori, quelli piatti, simili a un quadro da appendere più che a un elettrodomestico. I plasmi sono utilizzati nell’elettronica per costruire circuiti, hanno applicazioni nelle telecomunicazioni e nella fisica dei materiali. Molti sistemi di sterilizzazione delle acque più convenienti ed economici della semplice bollitura funzionano oggi grazie al plasma, che ha permesso innovazioni anche nell’industria chimica e in quella metallurgica.

Tra gli impieghi di frontiera del plasma c’è anche la fusione termonucleare, quel processo che dà energia alle stelle e che richiede plasmi caldissimi e densissimi, in grado di riprodurre le condizioni che si trovano nelle stelle dove le temperature raggiungono decine di milioni di gradi. Per innescare la fusione bisogna confinare il plasma in un volume piccolissimo servendosi o di una bottiglia magnetica, un campo magnetico molto più intenso alle estremità – il fondo e il collo della bottiglia – che al centro, oppure di fasci laser (confinamento inerziale) fatti convergere su una piccola sfera di plasma.