La materia tiene tres estados: sólido, líquido y gaseoso. De hecho, existe un cuarto estado de la materia, que es el estado plasma.
El estado plasma, también llamado cuarto estado de la materia, es un gas, pero sus átomos pierden electrones para formar electrones libres.
Los iones positivos, también llamados en estado plasma por su igual cantidad, pueden conducir electricidad y se ven afectados por los campos magnéticos. En el gas caliente, la ionización se produce debido a la colisión de átomos a alta velocidad, formando un estado de plasma. Los gases del interior del sol son un ejemplo. En los gases de baja temperatura, los electrones negativos y los iones positivos se recombinarán, por lo que no se formará un estado de plasma. En las lámparas fluorescentes hay vapor de mercurio a baja presión y algunos gases inertes. A altos voltajes, los electrones se aceleran muy rápidamente. La colisión hace que más electrones e iones positivos formen un estado de plasma. En este proceso, los átomos de mercurio se excitan al estado excitado y luego saltan del estado excitado al estado fundamental, emitiendo ondas electromagnéticas, principalmente radiación ultravioleta. Cuando la radiación ultravioleta incide sobre el fósforo de la pared del tubo, se convierte en luz visible.
Para superar la fuerte repulsión entre los núcleos de hidrógeno y realizar la fusión nuclear, dos núcleos de hidrógeno deben chocar a alta velocidad y la temperatura requerida es de hasta 10 millones de grados Celsius. Según Kao), ¿se lava con sericina? Pero si se quiere desarrollar una fusión termonuclear controlable, ningún recipiente puede soportar temperaturas tan altas sin derretirse. El plasma quedará atrapado en el campo magnético, lo que provocará que se fusione a altas temperaturas. Este enfoque no tuvo éxito y requiere más investigación.
Sabemos que cuando el hielo se calienta hasta cierto nivel, se convierte en agua líquida. Si la temperatura continúa aumentando, el agua líquida se convertirá en gas. Si la temperatura continúa aumentando por encima de unos pocos miles de grados, los átomos del gas perderán sus electrones, ionizándose el gas. Los físicos llaman plasma al estado del gas ionizado.
En el vasto universo, el plasma es un estado ubicuo. La temperatura y presión internas de la mayoría de los planetas luminosos del universo son muy altas y el material dentro de estos planetas casi siempre se encuentra en estado de plasma. La materia sólida, líquida y gaseosa sólo se puede encontrar en planetas oscuros y en materia interestelar dispersa.
A nuestro alrededor, a menudo vemos materia plasmática. Se puede encontrar en lámparas fluorescentes y de neón, así como en el deslumbrante arco incandescente. Además, también se pueden encontrar maravillosos estados de plasma en la ionosfera que rodea la Tierra, en hermosas auroras, en descargas repentinas en la atmósfera y en las colas de los meteoros.
Además de los estados del plasma, los científicos también han descubierto "estados supersólidos" y "estados de neutrones". Hay una estrella enana blanca en el universo con una densidad muy alta, entre 36 y varios cientos de millones de veces la del agua. Un centímetro cúbico de material en una enana blanca pesa entre 100 y 200 kilogramos. ¿Qué está sucediendo?
Resulta que existen grandes espacios entre los átomos en la materia ordinaria, pero en las enanas blancas la presión y la temperatura son muy altas. Bajo la presión de millones de atmósferas, no sólo se comprimen los espacios entre los átomos, sino también las capas de electrones que rodean los átomos. Todos los núcleos y átomos están muy juntos y no hay espacios dentro del material, por lo que el material es extremadamente pesado. Este tipo de material es un supersólido. Los científicos especulan que no sólo las enanas blancas están llenas de materia supersólida, sino que también debe haber materia supersólida en el centro de la Tierra.
Si se aplica mucha presión a un supersólido, los núcleos de los átomos se disolverán, liberando protones y neutrones de ellos. Los protones liberados se combinan con electrones bajo una intensa presión para formar neutrones. De esta forma, la estructura de la materia sufre cambios fundamentales. Los núcleos y electrones originales ahora son neutrones. Este estado se llama "estado de neutrones".
La densidad de la materia de neutrones es aún más aterradora, más de 65.438 millones de veces mayor que la de la materia supersólida. Un trozo de material de neutrones del tamaño de una caja de cerillas pesa 3.000 millones de toneladas y se necesitan 96.000 locomotoras pesadas para tirar de él.
Bajo una determinada presión, las sustancias macroscópicas cambian de sólido a líquido y luego a gas (algunas pasan directamente a gas) a medida que aumenta la temperatura. A medida que la temperatura continúa aumentando, el movimiento térmico de las moléculas de gas se intensifica. Cuando la temperatura es lo suficientemente alta, los átomos de la molécula comienzan a separarse unos de otros porque ganan suficiente energía cinética. El proceso de dividir las moléculas en su estado atómico cuando se calientan se llama disociación. Si la temperatura aumenta aún más, los electrones externos del átomo se desprenderán del núcleo atómico y se convertirán en electrones libres. Los átomos que han perdido electrones se convierten en iones cargados.
Este proceso se llama ionización. El gas ionizado (ya sea parcial o totalmente ionizado) se llama plasma (o estado de plasma). El plasma es un gas compuesto de partículas cargadas positiva y negativamente. Como el número total de cargas positivas y negativas es igual, la carga neta del plasma es igual a cero.
En comparación con los sólidos, líquidos y gases, el estado del plasma es esencialmente diferente en composición y propiedades. En primer lugar, los gases generalmente no conducen electricidad, mientras que los plasmas son fluidos que conducen electricidad. En segundo lugar, las fuerzas entre las partículas constituyentes son diferentes. No existe una fuerza electromagnética neta entre las moléculas de gas, pero sí una fuerza de Coulomb entre las partículas cargadas en el plasma, lo que provoca varios movimientos colectivos únicos de las partículas cargadas. Además, como sistema de partículas cargadas, el comportamiento de movimiento del plasma se ve obviamente afectado y restringido por el campo electromagnético.
Según si la temperatura de los iones y la temperatura de los electrones alcanzan el equilibrio térmico, el plasma se puede dividir en plasma en equilibrio y plasma en no equilibrio. En un plasma equilibrado, las temperaturas de las distintas partículas son casi iguales. En los plasmas que no están en equilibrio, las temperaturas de los electrones y los iones difieren mucho.
Normalmente los gases con un grado de ionización inferior a 0,1 se denominan gases débilmente ionizados, también llamados plasmas de baja temperatura. El plasma fuertemente ionizado con un grado de ionización superior a 0,1 también se denomina plasma de alta temperatura.
El plasma tiene amplias perspectivas de aplicación en la industria. Una aplicación importante del plasma a alta temperatura es la fusión nuclear controlada. El plasma de baja temperatura se utiliza para cortar, soldar y pulverizar, así como para fabricar una variedad de nuevas fuentes de luz eléctrica y pantallas.
El plasma es omnipresente en la naturaleza. Por ejemplo, la mayor parte de la materia interestelar del Sol, las estrellas, la Vía Láctea y las galaxias extragalácticas se encuentra en estado de plasma. Las coloridas auroras que a veces aparecen en los polos norte y sur de la Tierra, los relámpagos en las tormentas de verano y las coloridas luces fluorescentes y de neón están estrechamente relacionados con los fenómenos del plasma.
El termómetro utiliza el principio de expansión y contracción térmica del líquido para medir la temperatura. Cuando se utilizan, las burbujas de vidrio deben estar en pleno contacto con el objeto que se mide, de modo que el líquido en las burbujas de vidrio tenga la misma temperatura que el objeto que se mide. En este momento, el número indicado por la columna de líquido en el termómetro es la temperatura del líquido en la burbuja de vidrio. Una vez que la columna de líquido se estabiliza, también indica la temperatura del objeto que se está midiendo. En este problema, debido a que la columna de líquido es inestable, en este momento solo representa la temperatura del mercurio en la burbuja de vidrio.