Plasma, el cuarto estado de la materia

¿ Por que “CUARTO ESTADO DE LA MATERIA” ?Los PLASMAS en la TIERRA son mucho más escasos,y efímeros que Sólidos, Líquidos y Gases.Sus características son mucho más complejasy se han estudiado y comprendido más tarde.2

¿QUÉ ES EL PLASMA?“Materia Gaseosa Fuertemente Ionizada,con Igual Número de Cargas Eléctricas LibresPositivas y Negativas”Diccionario de la Real AcademiaEspañola de la LenguaDenominado Plasma por 1ª vez en 1920por Irving Langmuir, Nobel de Química (1932).General Electric.5

Clasificación Antigua de la MateriaLa clasificación de los cuatro elementos clásicos griegosTierra , Agua , Aire , Fuegodata de 450 a. C. y persistió hasta el Renacimiento.También aparece en otras culturas,como el Budismo o el Hinduismo6

Estados de Agregación (clasificación actual)7SÓLIDO LÍQUIDO GASAporte de Energía Calorífica Aumento de Temperatura1 atmPresión(Pa)PuntodeFusiónSOLIDOLIQUIDOPunto deEbulliciónGASH 2 ODiagramade fasesdel aguaTemperatura (K)7

GASPLASMAMás EnergíaEléctricaTérmicaLuminosaQuímicaNuclearIonizaciónCargas Libres ¡ Al contrario que el Gas,el Plasma esbuen Conductor Eléctrico !8

GASES• Comportamiento independiente entre Partículas Neutras• Transferencia de Energía por Colisiones IndividualesPartícula Neutra( choques individuales )Partícula Cargada( acción a distancia )PLASMAS• Comportamiento Colectivo de Iones y Electrones.• Responden a Fuerzas Electro-Magnéticas• Se pueden confinar lejos de las paredes9

ESTUDIOS PIONEROSBenjamin Franklin (1752):Experimento del rayo y la cometa origen eléctrico del rayo.B. FranklinMichael Faraday (1820):Descargas en arco (inestables).Al bajar la presión, las descargas se hacían establesy pasaban a emitir una luz tenue y difusa.M. Faraday10

Descargas eléctricas en gases a baja presiónCélula de Descargay Bomba de Vacío(1880)Alto voltaje entre electrodos 1000 VPresión 0.001 atm 2,5 10 16 moléculas/cm 311

William Crookes (1880):Tubos de Crookes: Plasma = “GAS RADIANTE”.Interponiendo objetos, identificó unas partículasen el plasma que llamó rayos catódicos.W. CrookesJoseph J. Thomson (~ 1897):Desviación de rayos catódicos con camposelectromagnéticos ( origen del televisor ).Midió la carga del electrón y descubrió que procedíadel interior del átomo. Primer modelo atómico.J. J. Thomson(P. Nobel Física 1906)12

Plasma controlado por un campo magnético.Prof. H. Kersten (Germany)13

Nicola Tesla (1856-1943)• 1 er Motor de Corriente Alterna (1887)• 1ª Central Hidroeléctrica (Niagara Falls 1893)• Transmisión por radio (15 años antes que Marconi)Nicola Tesla& Mark Twain (1894)Bola de Plasma14

PROCESOS MÁS IMPORTANTESEN EL PLASMA1º. IonizaciónFenómeno desencadenante del plasma.e - e+-e -15

• Los electrones liberados en laionización pueden ser acelerados porcampos electro-magnéticos externosy GANAN ENERGÍA._e - +• Sucesivos choques ionización en cadena.Se establece una CORRIENTE ELÉCTRICA.• Pero si cesa el aporte de energía,las cargas +/- se recombinany el plasma se extingue rápidamente.16

2º. Disociación MolecularH 2 OHOe -+He -Las moléculas se rompen liberando átomos y radicalesque reaccionan químicamentey forman con rapidez nuevas especies. H 2 O H 2 , O 2 ,H 2 O 2NO 2 N 2 , O 2 ,N 2 O, NO (destrucción de contaminantes)CH 4 C 2 H y, C x H y ,… microdiamantes…SiH 4 + NH 3 H 2 + N 2 + Si 3 N 4 (recubrimiento pasivante)17

3º. Excitación y Desexcitación• Excitación internapor impacto electrónico¡ Solo con electrones deenergías bien definidas !• Desexcitación y emisión defotones de energías concretas.e -¡ Los plasmas emiten luz!Su análisis permiteconocer las especiesque contienen18

Primer analisis espectral:Isaac Newton (1642-1727)Refracción de la luz en un prisma de cuarzo19

Espectros de EmisiónHAuFeEnergías discretas : Fundamento de la Física CuánticaEspectrómetros Actuales con Red de Difracción20

4º. Reacciones con las SuperficiesLos iones del plasma impactan con mucha energíasobre las superficies circundantes, y arrancan partículasque se incorporan al plasma.A su vez, algunas partículas formadas en el plasmase depositan en las superficies.Reactor de plasmaVentanas de observación recubiertas paulatinamentecon material metálico de las paredes del reactorLaboratorio de Plasmas Fríos, CSIC21

Todo lo anterior da lugar a un gran númerode componentes del plasma:• Iones (+/-) y electrones libres• Átomos y moléculas neutras( precursores del plasma y productos formados)• Partículas procedentes de las paredes• Especies excitadas (neutras o cargadas)• FotonesPLASMA : ¡ MEDIO EXTRAORDINARIAMENTEREACTIVO Y COMPLEJO !• Distribuciones de energías (temperaturas) muy disparesentre las distintas clases de partículas.22

En COLISIONES ELÁSTICAS entre los electrones, muy ligeros,y los átomos o moléculas, mucho más pesados,APENAS se transfiere la ENERGÍA CINÉTICAganada por los electrones en el campo electro-magnético.He -e - e -e - igual masa :Choque e - + e -Choque e - + Hm e ~M H /1800el intercambio deenergía es máximo23

La energía media de los electrones del plasma (su temperatura)puede ser mucho mayor que la de las especies más pesadas“PLASMAS FRÍOS”importantes en multitud de aplicacionesT e = 30.000 KT gas = 300 K¡ Solo en plasmas con bajo grado de ionización !24

Al aumentar la presión y el grado de ionización,la temperatura electrónica y del gas se igualanporque aumenta el número de colisiones.fríoFluorescente: plasma fríoArco: plasma térmicoMagnitudes más importantes del Plasma• Densidad de Carga Eléctrica Libre• Temperatura Electrónica25

T (K)10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9ConductoresSólidos y LíquidosNúcleo deJúpiter2610 30N e( m - 3 )10 30 Cristal de SiNúcleo SolarPLASMAS 10 25FotosferaFoco deSolarláserArco EléctricoLRayoNúcleo deReactor de Fusión 10 20Fusion:Borde del plasmaLLamaDescargaCoronaLuminiscenteSolar10 15Aurora NebulosaEspaciode PlasmaInterplanetario10 1010 2510 2010 1510 1010 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 265E (eV)

PLASMAS NATURALES27

100 s Nucleosíntesis 1 H + + n ( + e ) 2 D + , 3 He + ( + e )10 9 K Radiación atrapada en el denso plasma primigenio.Teoría del Big Bang380.000 años Recombinación Núcleos – Electrones Átomos neutros.3.000 K Desacoplamiento Luz – Materia Radiación de Fondo Cósmico MW ( 2,7 K - 160,2 GHz)28

Nebulosas- Regiones de enorme masa muy dispersa (neutros, iones, polvo),se aproximan por gravedad y calientan hasta formar nuevas estrellas.N. del ÁguilaMasa total “conocida” / Masa estrellas 14Temperaturas desde 4 K hasta 10 8 KOriónSistema Periódico“Astronómico”- Abundancia de moléculas (hasta de 200 átomos): juegan un papelimportante en la actual formación estelar (de 3ª generación).- Especies exóticas como H 3+ , crucial para formar nuevas moléculas,pueden producirse en Tierra por descargas eléctricas.29

El SolFotosfera: T =6.000 K Luz VisibleNúcleo: T = 15 10 6 K,¡Gas totalmente ionizado! (70% H, 28% He)Densidad (150 g/cm 3 ) 10 veces la del PbEdad del Sol: 4,5 10 9 años.Hasta el primer tercio del S. XX se le atribuía 10 7 añosPor gravedad William Thompson, Lord Kelvin (1824-1907)Controversia con Charles Darwin (1809-1892): La Tierra, más jovende lo necesario para permitir la Evolución de las Especies.

1938 : Procesos de Fusión NuclearHans Bethe, Nobel (1.968)600 MTm / s de H 596 MTm / s de He + 4 x 10 20 MW ( E = mc 2 )Sobre la Tierra inciden 500 W / m 2Pero el Sol pesa 3 10 15 MTm Rendimiento global de tan solo ¡ 5 W / TM !31

Ionosfera TerrestreProducida por la radiación solar de alta energía (X, VUV)Baja Ionización < 10 -3Altitud ~ 60 - 1000 kmDescubierta por Marconi en 1.901 :Reflexión de Ondas de Radio y Transmisión de Largo AlcanceComo los metales, los plasmas, al ser conductores,reflejan radiaciones de ciertas frecuenciasf p ~ √ n e32

Auroras Boreales y AustralesInteración entre viento solar y magnetosfera terrestre (R ~ 60.000 km)Mas intensas cada 11 años : ciclo de tormentas solares.Altitud > 100 km ( Ionosfera )Latitud > 60° (norte, sur)Fluctuaciones rápidas33

RayosPlasma Totalmente Ionizado , T 30.000 KDe Franklin (1752)… a Tesla (1900)Interés por daños en tendido eléctricoVoltajes 1.000 MVCorrientes 10.000 ADuración 10 s - 100 ms¡ P > 10 12 W !34

“Lightning Sprites & Elves” (Mesosfera Terrestre)Grabados accidentalmente por primera vez en 1989y por la lanzadera espacial de la NASA en 1990.36

Videos de Sprites. Cámara normal y cámara rápida37

LlamasÚnico plasma manejado por la especie humana hasta el S.XIX.Baja ionización (~ 10 -9 ), T ~ 2.000 KPredominio de Reacciones Químicas por CombustiónEspecies producidas: CO, CO 2 , NO, NO 2 , cenizas…Conducen la ElectricidadAcademia de Ciencias de Florencia (1667)38

Espectros de la llama39

APLICACIONESTECNOLÓGICAS40

Ejemplo de descarga¡sin electrodos!41

Iluminación por PlasmaLámparas de Arcode Alta IntensidadFluorescentesde bajo consumo Bombilla de FilamentoIncandescente42

Esterilización por Plasmas FríosAplicaciones médicas…Envases de alimentos…Materiales que no soportanaltas temperaturas.Doble acción bactericida:Catéteres para diálisis,y tubos de ensayode materiales plásticosRadiación ultravioleta.Radicales fuertemente oxidantes.43

Cambios superficiales de materialesGran valor añadido a sus propiedades estructuralesResistencia al rozamiento o al ataque químico,impermeabilidad, conductividad, propiedades ópticas,biocompatibilidad de implantes…Microcristales de diamantepara recubrirherramientas de corteTejidos tratados con plasma,para repeler la humedady las grasasPrótesis metálica derodilla recubierta dematerial biocompatible44

MicroelectrónicaFabricación de microcircuitosmediante depósito o erosión por plasma(tratamientos multicapa)45

Pantallasde Plasma46

Motores Iónicos para Propulsión EspacialSonda Lunar “Smart-1” , ESATierra 2003 – Luna 2006,1/6 de combustible de combustiónSe genera un plasma de Xe.Los iones pesados se aceleranen un campo eléctrico y se recombinana la salida (poder de propulsión).47

Reactores de Fusión TermonuclearReactor tipo Tokamak“Joint European Torus”Confinamiento magnéticoITER500 MWP producida-------------------------------------------------P consumida= 1048

Deuterio + TritioT = 10 8 K ¡Mayor que en el núcleo solar!P = 10 -5 Atm ¡Muy baja presión!Consumo de combustible por personade un país industrializado en toda su vida:10 g D ( en 0,5 m 3 H 2 O ) + 30 g Li49

Consideraciones FinalesLos plasmas constituyenla mayor parte del Universo conocido ( > 99% ),con manifestaciones extraordinariamenteluminosas, interesantes y bellas.Los plasmas en nuestro planetarepresentan un papelcada vez más importantepara el desarrollo científico y tecnológico.50

¡Muchas gracias por su atención!Laboratorio de Plasmas Fríos, IEM - CSIC51