Unter einem Plasma (auch warme dichte Materie) versteht man ein teilweise ionisiertes Gas, so wie es zum Beispiel auch in der Natur in Blitzen vorkommt. Hochrechnungen ergaben, dass sich rund 99 % der gesamten sichtbaren Materie des Universums, wie sie z.B. in Sternen, Galaxien oder kosmischen Nebeln vorkommt, im Plasmazustand befindet. Der Wissenschaft gelang es bislang nicht, die Rätsel dieses Zustandes endgültig zu klären. Größtes Hindernis der Plasmaforschung ist dabei die Tatsache, dass diese Materieform im Labor und experimentell kaum untersuchbar ist und sich mit herkömmlichen Methoden praktisch nicht direkt erforschen lässt. Plasma wird gemeinhin auch „der vierte Aggregatzustand“ von Materie genannt, denn führt man einem Feststoff Energie zu, wird er flüssig, führt man weiter Energie zu, wird er gasförmig und schlussendlich erhält man ein Plasma. Ein Plasma kann sowohl durch innere oder durch äußere Energiezufuhr erhalten werden. Übersteigen die Energieverluste – beispielsweise durch Wärmeleitung und/oder durch Strahlungsemission – den Energieeintrag, so geht der Plasmazustand wieder verloren.
Die positiven und negativen Ladungsträger im Plasma rekombinieren dann zu neutralen Atomen, Molekülen oder Radikalen. Der Verlust geladener Teilchen kann kompensiert werden, indem neue Teilchen erzeugt werden.
Im Plasma treten hauptsächlich 2 Effekte parallel auf:
- Ionisation – es werden Elektronen aus der Atomhülle entfernt. Die entstehenden freien Elektronen und Ionen sind reaktiv.
- Anregung – Elektronen werden auf ein anderes Energieniveau in der Atomhülle gehoben. Nach kurzer Zeit fallen sie wieder auf ihr Grundniveau, wobei elektromagnetische Strahlung frei wird.
Ein weiterer Effekt ist die Fragmentierung, wodurch chemische Bindungen in den Gasmolekülen aufgebrochen werden und hochreaktive Radikale entstehen. Ursache ist insbesondere die ionisierende Wirkung der UV-Strahlung des Plasmas. Radikale sind, zu chemischen Reaktionen z. B. zur Bildung von Ozon und anderen Stoffen fähig. Das Hydroxyl-Radikal •OH – ist z. B. das reaktivste und bedeutendste Radikal in der Atmosphäre. Um Radikale zu erzeugen, muss eine kovalente Bindung homolytisch gespalten werden. Diese Spaltung erfolgt durch Energiezufuhr (z. B. UV-Licht, Röntgen- und andere ionisierende Strahlung, Hitze (thermolytische Bindungsspaltung) oder elektrochemisch durch Oxidation bzw. Reduktion). Radikale treten aber meist nur als Intermediate bei Reaktionen auf. Da Radikale ein einzelnes ungepaartes Elektron aufweisen, erfüllen sie nicht die Oktettregel. Sie sind daher in der Regel instabil und hochreaktiv. Die Stabilität der Radikale hängt von ihrer Struktur ab. Höher substituierte Radikale sind stabiler als weniger substituierte. Kohlenstoff-Radikale z. B. haben eine längere Lebenszeit. Wenn die Radikale mit delokalisierenden Gruppen substituiert sind, kann die Stabilität erhöht werden. Eine radikalische Spezies mit einem immobilisierten Elektron kann sogar bei Raumtemperatur stabil sein. Ein Beispiel dafür ist das Triphenylmethyl-Radikal. Das ist ein stabilisiertes und das erste Radikal, das in der organischen Chemie beschrieben wurde. Es wird durch homolytische Bindungsspaltung und Radikalreaktion von Triphenylmethylchlorid durch ein geeignetes Metall wie Silber oder Zink in Benzol gewonnen. Die Konzentration des Radikals im Benzol beträgt im Ergebnis dann 2 %.
Ein besonderes Plasma ist das Quark-Gluon-Plasma (Abkürzung QGP). Dieser Zustand der Materie bei extrem hohen Energien und Temperaturen. Beim QGP-Zustand ist die Bindung der Quarks und Gluonen aufgehoben, weshalb diese Teilchen ein quasi-freies Verhalten zeigen. Der Zusammenhalt zwischen Quarks und Gluonen im Quark-Gluon-Plasma ist aber nicht völlig aufgehoben. Es gibt noch starke Wechselwirkungen und Zusammenschlüsse. Das Quark-Gluon-Plasma verhält sich zumindest bei Energien knapp über der Bildungsenergie eher wie eine Flüssigkeit als wie ein Gas. Das gilt für Temperaturen um, ≈160 MeV. Erst bei noch höheren Energien gewinnen die Elementarteilchen völlige Freiheit. Die aktuelle Forschung geht davon aus, dass das Universum in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall den QGP-Zustand durchlief. Im heutigen Universum existiert das QGP höchstens aber noch im Zentrum von Neutronensternen. Angenommen wird auch ein hypothetischer Vorläuferzustand des Quark-Gluon Plasmas, den sogenannten Glasma-Zustand (engl. glasma, von glass „Glas“ + Plasma). Dieser Zustand entspricht einem amorphen (glasartigen) Kondensat.
Glasma entsteht, wenn Hadronen miteinander kollidieren (z. B. Protonen mit Protonen, Ionen mit Ionen, Ionen mit Protonen). Die Lebensdauer von Glasma beträgt einige Yoktosekunden (10−24 Sekunden). Glasma kollabiert, wodurch viele sich zufällig bewegende Quarks, Antiquarks und Gluonen entstehen, das Quark-Gluon-Plasma.