EL SUEÑO DE LA FÍSICA: Plasma, el cuarto estado de agregación

Desde muy pequeñitos nos han enseñado que la materia se presenta en tres estados de agregación (sólido, líquido y gaseoso). Sin embargo, en la actualidad no se puede soslayar la importancia que, merced a sus aplicaciones tecnológicas, ha adquirido el llamado "cuarto estado de agregación": el plasma.

Pero antes de meternos en harina, es necesario aclarar una serie de conceptos para seguir adecuadamente el razonamiento posterior.

Actualmente se sabe que toda la materia del universo está constituida por combinaciones más o menos complejas de unos 118 elementos (que integran el conocido "Sistema Periódico de los Elementos"), entendiéndose por "elemento" aquella sustancia que no puede ser descompuesta mediante una reacción química en otras más simples.

La partícula más pequeña de un elemento que tiene todas las propiedades de éste, se denomina "átomo" (del latín atomun, que proviene a su vez del griego ἄτομον, esto es, indivisible). Aunque en principio se pensaba que el átomo era el último puntal de la materia, hoy se sabe que se puede descomponer en partículas más elementales: protones, neutrones y electrones.

En el modelo más sencillo del átomo (modelo de Rutherford), los protones y los neutrones se confinan en una región diminuta llamada "núcleo", en tanto que los electrones, como partículas más livianas y por tanto con más posibilidades de movimiento, abarcan una zona muchísimo más extensa en sus rápidos giros en torno al núcleo, que se denomina "corteza electrónica". Se suele recurrir a un símil para contrastar el tamaño del núcleo en relación al de la corteza electrónica: el núcleo es a la corteza electrónica lo que una pelota de tenis a un estadio de fútbol. Por convenio, los electrones están provistos de carga eléctrica negativa, en tanto que los protones tienen carga positiva. Los neutrones, como su propio nombre sugiere, carecen de carga eléctrica. Generalmente, en un átomo se compensan las cargas positivas con las negativas (igual número de protones con igual número de electrones) mediante interacciones electroestáticas de carácter atractivo; es lo que se conoce como "átomo neutro".

No obstante, existen átomos o grupos de átomos enlazados entre sí que no tienen compensación de cargas. Se conocen como "iones" (del griego ión, ἰών, que viene a significar algo así como "viajero"), y fue el físico inglés Michael Faraday (1791-1867) quien introdujo este cultismo para denominar a estas especies con carga eléctrica. A los iones con carga positiva (por pérdida de electrones de la corteza) se les llama "cationes", mientras que a los iones con carga negativa (por ganancia de electrones externos) se les conoce como "aniones".

Tras este largo preámbulo, empezamos a tratar las cuestiones atañentes al llamado cuarto estado de agregación de la materia. El plasma se define como un gas altamente ionizado en el que el número de electrones libres es aproximadamente igual al número de iones positivos, por lo que en su conjunto es eléctricamente neutro.

Sus propiedades le hacen un gas bastante peculiar: buen conductor de la corriente eléctrica, absorbe radiaciones que pasan por un gas ordinario sin sufrir alteración y puede moldearse, conformarse y moverse mediante la aplicación externa de campos eléctricos y magnéticos.

El ejemplo más inmediato de plasma lo encontramos en el mismo corazón del sol, donde las altas temperaturas alcanzadas en la fusión nuclear provocan que los electrones sean arrancados de sus cortezas atómicas.

Las aplicaciones tecnológicas del plasma son muy diversas, y por lo mismo cuenta con amplia presencia en el mundo cotidiano:

En el interior de los tubos flourescentes utilizados en iluminación, hay plasma que contiene átomos de argón (Ar) y mercurio (Hg).

Los letreros luminosos de distintos colores también contienen plasma constituido por átomos diferentes según las necesidades. Los colores rojos se deben a átomos de neón (Ne); los azules, a átomos de argón (Ar); los amarillos, a átomos de sodio (Na); y los rosas, a átomos de helio (He).

Igualmente el plasma encuentra aplicación en el alumbrado público, por medio de las lámparas de vapor. La luz verde azulada, casi blanca, proviene de átomos de mercurio (Hg), en tanto que la amarilla, como ya queda dicho, es debida a átomos de sodio (Na).

Y todo esto sin mencionar las aplicaciones que el plasma encuentra en la fabricación de receptores de televisión y monitores de ordenadores, con la ventaja , con respecto a las antiguas pantallas de rayos catódicos, de que prácticamente no conllevan riesgos para la vista y la calidad de visionado es ostensiblemente superior.

No obstante, también es posible encontrar ejemplos de plasma en la naturaleza: el fenómeno de las auroras boreales y las lluvias de electrones procedentes del espacio exterior. Una capa de la atmósfera, la ionosfera (comprendida entre los 80 y los 800 kilómetros de altura), está formada por plasma en su total integridad. Durante la noche, en ausencia de energía solar, las capas de plasma de la atmósfera se asientan y actúan como reflectores de ondas de radio, por lo que no es de extrañar que en los correspondientes receptores se puedan captar señales de AM provenientes de estaciones muy lejanas.

Actualmente, se baraja la posibibidad de aplicar la tecnología de plasma para el desarrollo de la generación de energía por medio de la fusión controlada de núcleos atómicos (mediante el método del confinamiento magnético). Pero se trata de un camino que aún ha de ser andado, aunque se vayan haciendo progresos.

Como ejercicio de aplicación, ¿podrías averiguar el nombre de los cambios que se producen entre los distintos estados de agregación de la materia, tanto los progresivos como los regresivos?

FUENTES CONSULTADAS:

HEWITT, Paul G., Física Conceptual, México, 2004, Addison Wesley, 281-283.