Cuando una partícula de movimiento rápido, como un electrón, una partícula alfa o un fotón, colisiona con un átomo de gas, éste expulsa un electrón, dejando un ion cargado. Los iones convierten en conductor al gas (véase electricidad). La cantidad de energía necesaria para extraer un electrón de un átomo se llama energía de ionización. El principio de ionización de gases mediante diversas formas de radiación se aplica en la detección y medida de la radiación (véase detectores de partículas) y en la separación y análisis de isótopos en el espectrómetro de masas. La atmósfera contiene siempre iones producidos por la radiación cósmica y la luz ultravioleta (véase ionosfera).
Cuando un gas está compuesto de un número casi igual de iones positivos y negativos se denomina plasma. Ejemplos de plasma son las atmósferas de la mayoría de las estrellas, los gases en el interior de los tubos fluorescentes de los rótulos y anuncios, y los gases de la capa superior de la atmósfera terrestre. Un gas se transforma en plasma cuando la energía cinética de las partículas del gas se eleva hasta igualar la energía de ionización del gas. Cuando alcanza este nivel, las colisiones de las partículas del gas provocan una rápida ionización en cascada, y el gas se transforma en plasma. Si se aporta la suficiente energía aplicando calor, la temperatura crítica se situará entre 50.000 y 100.000 K, elevándose a cientos de millones de grados, la temperatura requerida para mantener el plasma. Otro modo de convertir un gas en plasma consiste en hacer pasar electrones de alta energía a través del gas (véase también energía).
Los físicos nucleares consideran que un plasma en el interior de un campo magnético cerrado les permitirá aprovechar la enorme energía de la fusión termonuclear para fines pacíficos; en el plano conceptual, se trataría de un motor de plasma dirigido para propulsar las naves espaciales (véase energía nuclear; astronáutica).