Ionização e plasma

Já vimos que os átomos são eletricamente neutros uma vez que sua carga total negativa, fornecida pelos seus elétrons, é exatamente igual à sua carga positiva dada pelos prótons que formam seu núcleos. Uma grande 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 e moléculas, eles podem ganhar ou perder elétrons adquirindo, consequentemente, uma carga elétrica resultante. 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 várias formas, algumas delas até mesmo presentes na nossa vida diária. Quando você passa um pente rapidamente 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 quando você anda sobre um carpete ou tapete e em seguida recebe um pequeno choque elétrico ao tentar abrir uma porta com fechadura metálica.

A perda de elétrons, que é o processo mais comum nos meios ambiente astrofísicos, converte um átomo em um ion positivamente carregado. O ganho de elétrons por um átomo o converte em um íon negativamente carregado. É fácil entender esta nomenclatura porque se um átomo perde elétrons, mas não prótons, isto faz com que o número de prótons seja maior do que o número de elétrons. Consequentemente sua carga positiva fica maior do que a carga negativa. Daí chamarmos o átomo que tem estas características de íon positivo.

No outro caso, quando um átomo ganha um elétron, mas não prótons, o seu número de elétrons fica maior do que o número de prótons. Neste caso o átomo fica carregado negativamente ou seja, ele é um íon negativo. Veja que íon é o átomo que perdeu ou ganhou elétrons e que, portanto, tem carga elétrica total diferente de zero.

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

Na discussão subsequente, usaremos os termos ionização e ionizar no sentido de perda de elétrons com a consequente formação de íons positivos.

Há uma notação padrão na astrofísica para os vários níveis de ionização de um átomo. Como mostrado na tabela seguinte esta notação usa números romanos crescentes para indicar níveis mais altos de ionização.

Notação para graus de ionização
sufixoionizaçãoexemplosnotação da química
Inão ionizado (neutro)H I, He IH, He
IIuma vez ionizadoH II, He IIH+, He+
IIIduplamente ionizadoHe III, O IIIHe++, O++
............
XVI15 vezes ionizadoFe XVI 
............


Fica fácil entender esta notação ao percebermos que o número romano que acompanha o símbolo do elemento químico tem uma unidade a mais do que o seu grau de ionização. Por exemplo, Fe XIV significa que 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 pelo número de elétrons que ele possui. Deste modo, o hidrogênio, que só tem um elétron, só pode ser ionizado uma 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 na astrofísica. 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. À medida que fornecemos energia a um gás, sua temperatura aumenta. Os elétrons de cada elemento químico que o forma vão absorvendo esta energia, passando para níveis cada vez mais excitados até que se transformam em elétrons livres. O gás passa então a ser formado por átomos cada vez mais ionizados e por elétrons livres.

Como somos capazes de determinar no laboratório qual a temperatura correspondente a cada nível de ionização, ao constatarmos a presença destes átomos ionizados no espaço sabemos a temperatura dos fenômenos locais.



O plasma

Se a maioria dos átomos ou moléculas em uma região estão ionizados, o estado resultante da matéria corresponde a um gás que é eletricamente neutro em uma escala global mas composto microscopicamente de íons carregados positivamente e elétrons (obviamente com carga negativa) que foram arrancados dos átomos quando os íons foram formados. Tal estado da matéria, formado por íons e elétrons livres, é chamado 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 por átomos e moléculas em estado neutro, não ionizados. No entanto, os dados observacionais nos revelam que a forma mais abundante de matéria no Universo não está na forma de átomos ou moléculas neutras mas, ao contrário, no estado de plasma, ou seja átomos e moléculas ionizados.