La materia ha un quarto stato: illumina il cosmo (e Las Vegas)

State partecipando a "Chi vuole essere milionario?", o magari semplicemente lo state seguendo dal vostro salotto. Gerry Scotti legge la domanda: "Qual è il più comune stato della materia ordinaria nel nostro Universo?". La vostra mente parte per cercare di rispondere ancora prima di sentire le quattro opzioni di risposta, probabilmente cercando di stimare se ci siano più gas, liquidi o solidi. La quarta opzione, penserete, sarà quella facile da scartare. E invece risulterà essere la risposta giusta.

Questo stato della materia che spesso non viene insegnato a scuola, e che invece rappresenta lo stato in cui la maggior parte della materia ordinaria si presenta, viene chiamato "plasma". Chi di voi, alla domanda di Gerry Scotti avesse risposto "gas" ci sarebbe andato abbastanza vicino. Il plasma, infatti, è un gas ionizzato. Per capire cosa è un plasma, dobbiamo allora ricordare cos’è un gas e capire cosa vuol dire ionizzato; e per fare ciò è sufficiente ripassare le basi della chimica.

La materia è composta da molecole. A seconda di come sono i legami fra le varie molecole, forti, deboli o assenti, avremo i tre stati della materia che conosciamo: solidi, liquidi o gas rispettivamente. Cambiando temperatura e pressione possiamo passare da uno stato all'altro: in condizioni normali di pressione, il ghiaccio si scioglie a zero gradi diventando acqua e l'acqua bolle a 100 gradi diventando vapore acqueo. Quello che succede è che il calore fornito allenta i legami tra le molecole fino a romperli del tutto. E se continuo a scaldare un gas fino a raggiungere temperature molto elevate? L'energia fornita riuscirà non solo a rompere i legami tra molecole, ma anche all'interno delle molecole stesse e all'interno degli atomi che compongono le molecole, strappando gli elettroni dai nuclei: avremo così una nube formata da ioni carichi positivamente (i nuclei degli atomi) ed elettroni carichi negativamente che si possono muovere gli uni rispetto agli altri. Il gas si è ionizzato, diventando così plasma, il quarto stato della materia, identificato alla fine del diciannovesimo secolo da Sir William Crookes e Sir J.J. Thomson e descritto dal chimico Irving Langmuir negli anni '20.

Forse qualcuno ci avrà pensato, ma no: globuli rossi, bianchi e piastrine non vengono trasportate nelle nostre arterie immerse in un gas ionizzato. Irving però si ispirò al modo in cui queste sostanze si muovono nel plasma sanguigno per descrivere il modo in cui gli elettroni si comportano nel quarto stato della materia e così, per analogia, lo chiamò plasma.

Adesso che sappiamo che a temperature molto elevate la materia si presenta sotto forma di plasma possiamo immaginare perché questo stato è così comune nell'Universo. Lo avevamo già accennato in uno dei nostri articoli sui buchi neri (leggi qui): il Sole, e in generale le stelle, sono infatti fatti di plasma altamente ionizzato, tenuto insieme dalla forza gravitazionale. Non solo, anche lo spazio tra le stelle contiene nubi di idrogeno debolmente ionizzate dalla radiazione ultravioletta. E sulla Terra? Quanto è comune la materia allo stato di plasma? Non molto, e questo giustifica il fatto che solitamente studiamo solo gli altri tre stati. Le temperature necessarie per la ionizzazione dei gas, infatti, sono difficilmente raggiungibili nella vita di tutti i giorni. Tuttavia, il plasma si differenzia fortemente dai solidi, liquidi e gas, perché è uno stato che può essere raggiunto non solo cambiando temperatura o pressione, ma anche applicando un forte potenziale elettrico. Il motivo è facilmente spiegabile: gli elettroni e i nuclei, con cariche opposte, vengono attratti in direzioni opposte, fino ad essere strappati l'uno dall'altro. Questo fenomeno è quello che riesce a creare stati di plasma qui sulla Terra, e che ci consente di usarli nella vita di tutti i giorni. Las Vegas sta progressivamente passando a illuminare i suoi casinò con luci LED, ma si troveranno ancora sicuramente molte luci al neon. Dentro quei tubi simbolo degli anni '80 è racchiuso un gas (il primo era proprio il neon, ma diversi colori sono prodotti da diverse misture di gas) che viene parzialmente ionizzato applicando una differenza di potenziale tra gli estremi del tubo, portandolo allo stato di plasma. Un funzionamento simile lo avevano, con un altro tuffo nel recente passato, le tv al plasma. Infine, grandi differenze di potenziale tra nuvole e suolo o tra nuvole stesse formano sottili colonne di gas ionizzato, capaci di scaricare enormi energie: i fulmini.

Il plasma non è parte fondamentale solo di tecnologie ormai in declino. La prossima settimana, per esempio, vi parleremo di come venga utilizzato da combustibile per i razzi o per la fusione nucleare.

Intanto per oggi, grazie a questo articolo, accontentiamoci del fatto che se mai vi doveste trovare di fronte a Gerry Scotti sapreste rispondere correttamente al quesito sul più comune stato della materia nell'Universo. Il plasma. La accendiamo? Risposta corretta. E se era la domanda da un milione di euro, non dimenticatevi di noi.