¿Qué tienen en común un TV de Plasma, un tubo fluorescente, el interior de un reactor nuclear, un relámpago, una aurora boreal y el Sol?

Anda que iba a saber que todo eso podría tener algo en común… Pero es así. Uno se queda plasmado, nunca mejor dicho, al comprender el fenómeno del plasma en todo su esplendor. Una vez más, Caosyciencia nos deleita con un interesante artículo en el que despoja con claridad cómo se forma el plasma en diferentes lugares, así como el motivo de porqué se transforma en luz perceptible por el ojo humano, ya sea en un televisor de plasma, un tubo fluorescente, el interior de un reactor nuclear, un relámpago en una tormenta, una aurora boreal y el Sol. 

Daniel Sebastián de Erice
26-04-2010

¿Qué tienen en común un televisor de pantalla de plasma, un tubo fluorescente, el interior de un reactor nuclear, un relámpago en una tormenta, una aurora boreal y el Sol?

Antes de responder a esta pregunta vamos a aclarar algunos conceptos. Desde pequeños repetimos de memoria, como si de un catecismo se tratara, la frase: “los estados de la materia son tres, sólido, líquido y gaseoso.” Sabemos también que si calentamos un sólido lo suficiente, éste pasará a ser líquido, y que si lo seguimos calentando, se transformará en gas.

Los estados de la materia hacen referencia al grado de cohesión que las moléculas de un cierto compuesto tienen entre sí, es decir a lo fuertemente unidas que están, a cierta temperatura (si consideramos la presión constante). Cuando un cuerpo se encuentra a una temperatura baja sus moléculas tienen un grado bajo de movimiento y se mantienen unidas unas a otras por fuerzas electromagnéticas. Según vamos calentando el cuerpo, aumentamos su temperatura o, lo que es lo mismo, aumentamos el grado de movimiento de sus moléculas. Éstas empiezan a vibrar más rápidamente hasta que, llegado el momento (el punto de fusión), rompen las uniones que las mantenían juntas y empiezan a fluir unas sobre las otras. Hemos pasado al estado líquido. Si seguimos calentando el compuesto las moléculas seguirán aumentando su grado de movimiento hasta que terminen perdiendo todo tipo de unión y se desplacen libremente por el espacio que las contiene.

¿Y si seguimos calentando el gas? Nuestros libros de primaria nunca respondían a esta pregunta…

Para responderla tenemos que ir al interior del Sol. Allí nos encontraremos con un gas (principalmente hidrógeno con un poco de helio) a muy altas temperaturas. Como es de suponer, a temperaturas tan elevadas los átomos de hidrógeno se mueven a velocidades extraordinarias, lo que provoca una gran cantidad de choques entre ellos. Estas colisiones son muy energéticas, tanto que consiguen separar el electrón del núcleo del átomo de hidrógeno ionizándolo, es decir, creando un catión con carga positiva (el núcleo del átomo), y un anión con carga negativa (el electrón). El gas en estas condiciones empieza a comportarse de manera muy diferente a como lo hacía antes de ser ionizado, tan diferente como si estuviera en estado líquido o sólido. Por esta razón se considera que un gas ionizado presenta en realidad otro estado de agregación de la materia. Este nuevo estado se denomina plasma. Lo podemos encontrar en el Sol, pero también en el interior de un reactor nuclear o en los motores de propulsión de los cohetes espaciales.

A diferencia de los otros tres estados más tradicionales, en los que las transiciones se producen a base de aumentar o disminuir la temperatura, podemos conseguir un plasma de otro modo además de calentando un gas.

Si introducimos el gas en un campo eléctrico, las partes positivas de los átomos (el núcleo) se verán atraídas hacia el polo negativo del campo, mientras que las partes negativas (los electrones) lo harán hacia el polo positivo. Aumentando la intensidad del campo eléctrico conseguiremos que las fuerzas de atracción contrarias sean tan grandes que finalmente rompan el átomo, produciendo de nuevo un catión y un ión, o lo que es lo mismo, ionizando el gas, es decir, transformándolo en plasma. Esto es lo que ocurre, por ejemplo, en un relámpago, cuando la diferencia de potencial entre la nube y la tierra llega a ser de millones de voltios, o en el tubo fluorescente que ilumina nuestra cocina.

Los plasmas, como podemos ver, son mucho más comunes y están mucho más cerca de lo que pensamos.

De hecho, hay una manera sencilla de producir un plasma en nuestra propia casa. [No hacer este experimento sin la presencia de un adulto]. Para ello necesitaremos una uva fresca, un vaso alto y un microondas. Cortamos la uva por la mitad, sin que las dos mitades lleguen a separarse del todo, y la introducimos dentro del microondas después de haber sacado el plato giratorio y su base. Tapamos la uva con el vaso, y conectamos el microondas a máxima potencia durante cinco segundos (ojo, más tiempo podría dañar el electrodoméstico). Al cabo de un par de segundos veremos cómo por encima de la uva se produce una especie de globo luminoso que flota en el interior del vaso. ¡Hemos creado nuestro propio plasma! Algo parecido a lo que ocurre en este experimento sucede también en una aurora boreal.

Ahora podemos responder a la pregunta con la que hemos comenzado este artículo. ¿Qué tienen en común un televisor de pantalla de plasma, un tubo fluorescente, el interior de un reactor nuclear, un relámpago en una tormenta, una aurora boreal y el Sol? Que todos ellos son, están compuestos o contienen algún tipo de plasma.

Pero hay otra característica común a estos seis elementos: todos emiten luz (efectivamente, el núcleo de un reactor nuclear emite luz). ¿Por qué se produce este fenómeno? Hemos dicho que el plasma es un gas en el que los electrones, ya sea por calor ya sea por la presencia de un campo eléctrico, se han separado del núcleo formando iones. Pero esto no sucede de una manera estática, sino que los electrones están continuamente entrando y saliendo de los átomos. Si pudiéramos seguir un electrón concreto, veríamos cómo se separa del núcleo de uno de los átomos del gas, flota por el plasma libremente hasta que choca con otro núcleo y queda atrapado en él, para de nuevo separarse y continuar flotando, chocar con otro núcleo, quedarse atrapado en él, etc. La energía que necesita el electrón para escaparse del núcleo la saca, como ya hemos visto, bien de los choques de los átomos, bien del campo eléctrico. Pero en el proceso inverso, cuando el electrón es atrapado por un núcleo, esa energía tiene que ser devuelta de alguna manera. En nuestro caso se hace en forma de radiación, de forma que cada vez que un electrón es atrapado por un átomo, se emite un fotón de luz. Dependiendo del gas de que se trate, el color de esa radiación (su longitud de onda) será diferente.

En el caso de los tubos fluorescentes, que contienen gas de mercurio a baja presión, esa radiación es ultravioleta, es decir, no es visible por el ojo humano. Para transformar esa radiación en luz se utiliza una propiedad poco común del fósforo y de otros compuestos similares (conocidos genéricamente como fósforos), la fluorescencia. Ése es precisamente el cometido que tiene el recubrimiento blanco de los tubos fluorescentes: transformar la radiación ultravioleta producida por el plasma de mercurio en radiación blanca, visible por el ojo humano.

Pero, ¿cómo se puede aplicar todo esto a la formación de imágenes en un televisor de pantalla de plasma?

En el artículo Televisor: por qué hay que cesar de llamarlo «caja tonta» ya contamos cómo se aprovecha la propiedad de fluorescencia del fósforo para crear una serie de puntos de luz con distintas intensidades. En el caso del televisor convencional hablábamos de una fluorescencia producida por los rayos catódicos (chorros de electrones), y no por la luz ultravioleta como en los tubos fluorescentes. Explicábamos cómo esos chorros de electrones impactan con distintas intensidades en cada píxel de la pantalla para formar la imagen, y que cada píxel está compuesto por tres líneas, recubiertas por fósforo rojo, fósforo verde y fósforo azul.

Para comprobar que una pantalla de plasma no utiliza chorros de electrones para provocar la fluorescencia, basta con pasar el brazo cerca de una pantalla de un televisor convencional, y luego cerca de una de plasma. En la primera notaremos cómo se erizan los pelos del brazo debido a la electricidad estática producida por los electrones que chocan contra la pantalla. En la segunda no notaremos nada.

En realidad una pantalla de plasma no es más que una serie de minúsculos tubos fluorescentes, iguales a los de las lámparas de nuestra cocina, agrupados de tres en tres. Cada uno de estos grupos forma un píxel y está compuesto por un tubo recubierto de fósforo rojo, otro de fósforo verde y otro de fósforo azul. Aplicando un campo eléctrico a cada uno de los tubos producimos un plasma al ionizar el gas que contienen. Este plasma emite una radiación ultravioleta que es transformada en luz visible por los fósforos. Mientras que los tubos fluorescentes de la cocina transforman la luz ultravioleta en luz blanca, los pequeños tubos que forman un píxel la transforman en luz roja, verde o azul, dependiendo del recubrimiento que tengan. Variando la intensidad del campo eléctrico que aplicamos a cada tubo obtendremos los distintos colores para cada píxel, que, unidos, nos darán una imagen clara y luminosa.