Quel est le quatrième état de la matière ?

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Le plasma !

A des températures particulièrement hautes, les liaisons atomiques des molécules de gaz se rompent, les atomes se ionisent, les électrons leur sont arrachés.

Lorsque la proportion des électrons libres est supérieure à celle des molécules neutres, le gaz, isolant, se fluidifie et forme alors un plasma conducteur d'électricité. On observe alors une sorte de « soupe » d'électrons extrêmement actifs dans laquelle « baignent » des noyaux d'atomes.

Le terme plasma, appelé aussi « quatrième état de la matière », a été utilisé en physique pour la première fois par le physicien américain Irving Langmuir en 1928 par analogie avec le plasma sanguin.

Sur Terre...

A l'état naturel, sur Terre, il n'existe que deux phénomènes manifestes de l'état plasma : la foudre et les aurores boréales.

Les hautes températures ne sont donc pas les seuls phénomènes qui peuvent engendrer l'apparition de plasma : le peuvent également, le bombardement de rayons ionisants, comme c'est le cas des aurores boréales, ou la soumission d'un gaz à un puissant champ électrique, comme c'est le cas de la foudre.

Dans l'Univers...

Les plasmas sont très répandus à travers l'univers, représentant près de 99% de la matière visible : étoiles, nébuleuses, quasars...

Très peu répandu sur Terre, puisque très peu propice à la vie, on observe cependant des manifestations maîtrisées de plasma dans des objets de la vie quotidienne : téléviseurs, tubes à néon, boules ionisantes qui eurent un grand succès décoratif dans les années 90.

4 états... Les différences...

. Les atomes d'un solide, constitués d'un noyau et d'électrons, sont fortement liés entre eux, à tel point que l'ensemble est quasi fixe.

. Les atomes d'un liquide ne sont plus que partiellement liés entre eux : néanmoins, chaque atome est encore lié à ses électrons.

. Les atomes d'un gaz ne sont plus du tout ou presque pas liés entre eux. Ils conservent toutefois leur cohésion atome/électrons.

. Le plasma, enfin, est un état dans lequel les électrons mêmes ne sont plus liés à leur atome, et errent plus ou moins librement.

D'autres états ?

. Outre les états critiques intermédiaires (état mésomorphe ou cristal liquide, état supercritique liquide-gaz...), il existe aussi, dans des conditions particulières, des états singuliers de la matière comme par exemple des condensats de Bose-Einstein.

. Certaines particularités jouent également sur les propriétés d'une matière : de l'eau peut se retrouver à l'état liquide et à pression normale, en dessous de 0° C, on parle de surfusion : une simple perturbation initie à une vitesse phénoménale la solidification de cette eau.

. Certains mélanges par exemple, de maïzena et d'eau, se comportent comme un fluide si on le manipule lentement. Dès lors par contre qu'on le manipule avec force ou rapidité, ce fluide se comporte quasiment comme un solide, à tel point que l'on peut courir dessus. On parle de Fluide non-newtonien.

Plasmas naturels

. le plasma astrophysique,

. les étoiles, nébuleuses gazeuses, quasar, pulsar,

. les aurores boréales,

. les éclairs,

. l'ionosphère,

. le vent solaire,

. la queue des comètes,

. la traînée des étoiles filantes.

Plasmas industriels

. dans les téléviseurs,

. les décharges (comme dans un disjoncteur à haute-tension, ou tube à décharges (lampes, écrans, torche de découpe, production de rayon X)),

. les plasmas de traitement pour dépôt, gravure, modification de surface ou dopage par implantation ionique,

. la propulsion par plasmas,

. la fusion nucléaire,

. et de nombreuses autres applications qui ne sont encore que des expériences de laboratoire ou des prototypes (radar, amélioration de combustion, traitement des déchets, stérilisation, etc.).

Les flammes

La question de savoir si les flammes sont des vrais plasmas n'est pas tranchée : si le gaz présent dans la flamme est lumineux, c'est essentiellement en raison de la température due aux réactions de combustion exothermiques (ce gaz se comporte approximativement comme un corps noir) et n'est que très partiellement ionisé.

Nota : En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température.