8/12/2019 4.4 Ionizacao e Plasma

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Ionização e plasma

Já vimos que os átomos são eletricamente neutros uma vez que sua carga total negativa, fornecida pelosseus elétrons, é exatamente igual à sua carga positiva dada pelos prótons que formam seu núcleos. Umagrande parte da "matéria normal" que encontramos em torno de nós é desta forma.Entretanto, particularmente quando existem fontes de energia disponíveis atuando próximas aos átomos emoléculas, eles podem ganhar ou perder elétrons adquirindo, consequentemente, uma carga elétricaresultante. Este processo é chamado de ionização e é extremamente importante para a astrofísica.

O que é a ionização de um átomo?

A ionização é o ganho ou a perda de elétrons por um átomo. O processo de ionização pode ocorrer de váriasformas, algumas delas até mesmo presentes na nossa vida diária. Quando você passa um penterapidamente no cabelo vê que ele se torna capaz de atrair pequenos pedaços de papel e isto se deve ao

processo de ionização que ocorreu por meio do atrito do pente com o seu cabelo. O mesmo ocorre quandovocê anda sobre um carpete ou tapete e em seguida recebe um pequeno choque elétrico ao tentar abrir umaporta com fechadura metálica.

A perda de elétrons, que é o processo mais comum nos meios ambiente astrofísicos, converte um átomo emum ion positivamente carregado. O ganho de elétrons por um átomo o converte em um íonnegativamente carregado.É fácil entender esta nomenclatura porque se um átomo perde elétrons, mas não prótons, isto faz com que onúmero de prótons seja maior do que o número de elétrons. Consequentemente sua carga positiva ficamaior do que a carga negativa. Daí chamarmos o átomo que tem estas características de íon positivo. Nooutro caso, quando um átomo ganha um elétron, mas não prótons, o seu número de elétrons fica maior doque o número de prótons. Neste caso o átomo fica carregado negativamente ou seja, ele é um íonnegativo.Veja que íon é o átomo que perdeu ou ganhou elétrons e que, portanto, tem carga elétrica total diferente dezero.

E para onde vão os elétrons arrancados dos átomos? Eles ficam sob a forma de elétrons livres até que, ao seaproximarem suficientemente de algum átomo, sejam capturados permanecendo, então, em uma de suasórbitas permitidas.

Na discussão subsequente, usaremos os termos ionização e ionizar no sentido de perda de elétrons com aconsequente formação de íons positivos.Há uma notação padrão na astrofísica para os vários níveis de ionização de um átomo. Como mostrado natabela seguinte esta notação usa números romanos crescentes para indicar níveis mais altos de ionização.

Notação para graus de ionização

sufixo ionização exemplos notação da química

I não ionizado (neutro) H I, He I H, He

II uma vez ionizado H II, He II H+, He+

III duplamente ionizado He III, O III He++, O++

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XVI 15 vezes ionizado Fe XVI

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Fica fácil entender esta notação ao percebermos que o número romano que acompanha o símbolo doelemento químico tem uma unidade a mais do que o seu grau de ionização. Por exemplo, Fe XIV significaque o elemento ferro está ionizado(14 - 1) = 13 vezes.Um outro ponto a notar é que o maior grau de ionização possível de um determinado átomo é dado pelonúmero de elétrons que ele possui. Deste modo, o hidrogênio, que só tem um elétron, só pode ser ionizadouma vez, formando o H II. No espaço entre as estrelas existem regiões onde o hidrogênio está ionizado.Estas são as "regiões HII", regiões do espaço interestelar onde a radiação proveniente de estrelas vizinhas

ionizou completamente o hidrogênio local. O estudo das regiões H II é um importantíssimo tema naastrofísica. Vemos abaixo uma dessas regiões HII, a nebulosa M16, também chamada de "nebulosa Águia".

Os processos de ionização são muito importantes para a astrofísica por estarem associados à temperatura. Àmedida que fornecemos energia a um gás, sua temperatura aumenta. Os elétrons de cada elemento químicoque o forma vão absorvendo esta energia, passando para níveis cada vez mais excitados até que setransformam em elétrons livres. O gás passa então a ser formado por átomos cada vez mais ionizados e porelétrons livres. Como somos capazes de determinar no laboratório qual a temperatura correspondente acada nível de ionização, ao constatarmos a presença destes átomos ionizados no espaço sabemos atemperatura dos fenômenos locais.

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O plasma

Se a maioria dos átomos ou moléculas em uma região estão ionizados, o estado resultante da matériacorresponde a um gás que é eletricamente neutro em uma escala global mas composto microscopicamentede íons carregados positivamente e elétrons (obviamente com carga negativa) que foram arrancados dosátomos quando os íons foram formados. Tal estado da matéria, formado por íons e elétrons livres, échamado de plasma.

A maior parte da matéria nas estrelas está na forma de um estado de plasma.Dissemos anteriormente que o Universo é formado por "matéria normal", ou seja aquela formada porátomos e moléculas em estado neutro, não ionizados. No entanto, os dados observacionais nos revelam quea forma mais abundante de matéria no Universo não está na forma de átomos ou moléculas neutras mas, aocontrário, no estado de plasma, ou seja átomos e moléculas ionizados.