Es posible calcular el grado de ionización, la densidad de iones y electrones, la temperatura y la distribución de las partículas
VERÓNICA GONZÁLEZ FERNÁNDEZ | Artículo original
Un estado plasmático es un plasma. Al plasma lo llamamos el cuarto estado de la materia, tras los otros tres: líquido, sólido y gaseoso. Realmente es un gas ionizado. Tenemos un gas estable y neutro y le aportamos energía, normalmente en forma de descarga eléctrica. Lo que ocurre entonces es que parte de los átomos de ese gas se “rompen”. Los electrones que están en la parte más exterior del átomo obtienen suficiente energía para separarse del núcleo y moverse libremente por el gas. Eso es un gas ionizado, es decir, un plasma o un estado plasmático.
En la vida diaria encontramos estos gases ionizados o plasmas: fenómenos de la naturaleza como las auroras boreales en las que parte de la atmósfera, que es un gas, se ioniza por las partículas que llegan del espacio exterior o los rayos de las tormentas en las que la diferencia de potencial entre cielo y tierra hace que cuando se cierra el circuito y se conecta, se ionice el aire y ese es el resplandor que vemos como un relámpago. Fuera de la naturaleza, pero más al alcance de la mano, tenemos plasmas más tecnológicos como los fluorescentes que son tubos con un gas en su interior al que se le aplica una descarga eléctrica, es decir, se cierra el circuito, y eso genera un plasma. Y también están las bolas de plasma, esos juguetes de los que salen rayos disparados, que acercas la mano y el rayo va hacia el dedo. Pues son lo mismo, un gas dentro de esa bola al que se aplica un pequeño voltaje y el resultado es, otra vez, un plasma.
Si nos vamos a otras aplicaciones menos cotidianas existen algunas de uso normal en la industria como las soldaduras con arcos de plasma, algunos procesos de desinfección o también en medicina, por ejemplo los bisturíes eléctricos son exactamente lo mismo, un plasma que va cortando y cauterizando. Y tenemos también los plasmas en investigación. El más famoso de todos es el reactor ITER que se está construyendo en el sur de Francia. Lo que se quiere conseguir en el ITER es energía de fusión, que es el proceso contrario al de la fisión con el que obtenemos ahora la energía en las centrales nucleares. La fusión consiste en unir dos átomos mediante choques tremendos. En ese proceso se libera una cantidad enorme de energía que queremos aprovechar. Para lograr esa fusión hay que partir de un plasma muy ionizado, es decir, con muchos de sus átomos “rotos”. Mediante imanes y campos magnéticos vamos acercándolos unos a otros hasta que al final no tienen más remedio que fusionarse. Se utiliza plasma porque si no es muy difícil tener tantos electrones y tantos iones, (átomos que han perdido electrones), que viajen libres.
A tu pregunta sobre cómo se puede medir un plasma, tengo que empezar por decirte que hay muchos parámetros que se pueden medir. Podemos medir el grado de ionización, cuántos átomos se “rompen”. Si aplicas poca energía se romperán pocos, pero si aportas mucha energía, muchos de ellos se liberarán. Eso se llama grado de ionización y va ligado al primer parámetro que podemos medir que es la densidad. Podemos medir densidad de iones y densidad de electrones. Y se mide como cualquier otra densidad de partículas en cm-3.
También podemos medir temperatura del plasma, aunque cuando hablamos de temperatura en un plasma nos referimos a la energía en las diferentes partículas. Lo que mides son las velocidades, y con la energía cinética lo relacionas con la temperatura. Si estamos midiendo la energía de los iones hablamos de una temperatura iónica y si se trata de los electrones hablamos de temperatura electrónica. Las unidades de estas energías se llaman electronvoltios, no se utilizan los julios habituales, ni los grados porque no es una temperatura real.
También se puede medir la distribución de las partículas, es decir, cómo se organizan dentro del plasma porque dependiendo de si le aplicamos un voltaje positivo vamos a atraer a todos los electrones y al contrario, los iones se irán al lado negativo. Se puede medir también el campo eléctrico, es decir la distribución de voltaje dentro del plasma que te da realmente la estructura.
Pero medir un plasma es muy complicado. No podemos meter la mano con un aparato para medir lo que queremos medir. Para empezar, están en cámaras de vacío, así que ahí es difícil acceder. Además está la cuestión de las presiones y las temperaturas que pueden ser tanto muy bajas, como enormes, centenares e incluso miles de grados. A pesar de ello se han logrado desarrollar diferentes métodos de medida. Uno de los más clásicos es el de sondas metálicas que se introducen en el plasma para aplicar una pequeña corriente. A partir de ahí puedes obtener información. El problema es que este método es invasivo, perturba el plasma. Para tener mejor resolución y no perturbar el plasma existen métodos basados en la óptica, sobre todo en espectroscopia de emisión, es decir, recoger la luz que emite este plasma y analizarla nos sirve para saber cosas como su densidad o temperatura. También hay métodos de espectroscopia activa en los que pueden introducir, por ejemplo, una radiación láser enfocada a lo que quieres medir y puedes interactuar con el plasma de manera muy local con lo que la perturbación es mínima. Y este método permite obtener medidas de altísima resolución espacial y temporal. Precisamente mi tesis la dediqué a esto.
Verónica González Fernández es doctora en física, profesora e investigadora en física de plasmas y óptica en la Universidad Complutense de Madrid.
Pregunta enviada vía email por Yesi Thill
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