Compendio de Conceptos Clave en Ciencia de Materiales: Isótopos, Enlaces, Diagramas de Fase y Semiconductores

Compendio de Conceptos Clave en Ciencia de Materiales

Isótopos e Isóbaros

• Isótopos: Átomos con el mismo número de protones pero diferente número de neutrones.
• Isóbaros: Átomos con el mismo número de nucleones.

Radiación

• Rayos X: Emitidos desde la corteza electrónica.
• Rayos γ (Gamma): Emitidos por los núcleos.
• Rayos β (Beta): Electrones emitidos durante la conversión de neutrones en protones en el núcleo.

Modelos Atómicos

• Rutherford: El átomo está constituido por un núcleo y electrones que giran alrededor de él.
• Bohr: Cuantifica la energía de los electrones en valores discretos, función del momento angular.
• Sommerfeld: Explica de forma más exacta la energía de los electrones mediante los cuatro números cuánticos.

Módulo de Elasticidad Teórico

Punto de corte en el eje de fuerzas de la tangente a la curva de r por xo (distancia interatómica). El módulo de elasticidad teórico es mayor que el práctico (Et > Epractico).

Enlaces Químicos

• Iónico: Formación de cristales al unirse cationes (+) y aniones (-) mediante fuerza electrostática.
• Covalente: Compartir electrones de valencia adquiriendo configuración de gas noble más estable. Alto punto de fusión, malos conductores.
• Metálico: Los átomos se rodean del mayor número de átomos posible según el sistema de cristalización.

El agua aumenta de volumen debido a que los enlaces son direccionales y parecen dejar intersticios entre las moléculas de H2O.

Enlaces Secundarios

Se dan entre moléculas y átomos polares o polarizables, dando lugar a enlaces débiles.

• Van der Waals: Entre átomos y moléculas polares. Son enlaces débiles.

Alotropía

Cambio de red cristalina en los puntos críticos al modificar la temperatura.

Índices de Miller

Planos y rectas perpendiculares. Planos equivalentes tienen el mismo índice de Miller pero diferente orden.

Factor de Empaquetamiento

Volumen de átomos / Volumen del cristal < 1. Los planos y direcciones de máximas densidades atómicas facilitan el sistema de deslizamiento que, al desplazarse, forma deformaciones plásticas.

Coeficiente de Absorción Lineal

Depende de la energía o dureza de la radiación. Aumenta cuando la radiación es más energética. Para radiación de la misma dureza, el coeficiente es proporcional a la densidad del material.

Efecto Compton

Interacción de fotones con electrones corticales, emergiendo con diferente longitud de onda (λ).

Efecto Rayleigh

Longitud de onda (λ) igual. Al chocar fotones con electrones muy ligados, se producen choques elásticos = difracción.

Dilatación Térmica

Aumento del volumen del material debido al incremento en la amplitud de vibración. Característica de cada material y a cada temperatura. El αv se da a 20º. αv = 3αl (isotrópos).

Calor Específico

6.3 cal/mol·K constante a temperaturas ordinarias. Cv a volumen constante. Cp constante en cal/mol para elementos con masa atómica > 40 y T > θ.

Transferencia de Energía

• Metales y Aleaciones: Desplazamiento de electrones del punto caliente al frío.
• Intercambio de Fotones: En enlaces iónicos y covalentes.
• Materiales Orgánicos: Rotación y traslación molecular.

Difusión

Se produce en sólidos, líquidos y gases, y sus coeficientes de difusión aumentan respectivamente. Afectada por: temperatura, presencia de defectos tipo red, tamaño de grano, dislocaciones, tamaño de átomos.

Diodos

Sustrato impurificado con concentración constante tipo P o N y se impurifica de forma variable tipo N o P.

Soluciones Sólidas

• Soluciones Sólidas Ordenadas: Enfriamiento lento, estables a bajas temperaturas.
• Soluciones Sólidas de Sustitución: Radios atómicos no deben diferir en más del 15%.
• Soluciones Sólidas Intersticiales: Átomos soluto de menor tamaño que el disolvente.

Compuestos Intermetálicos

• Daltonidos: Iónico y Covalente vs Metálico.
• Bertholidos: Metales de transición con elementos pequeños como H, C, N, B.

Regla de las Fases de Gibbs

Ecuación de varianza o grados de libertad > 1. Un equilibrio inestable se da por valores concretos e inalterables de sus variables intensivas. Variables extensivas (doble), intensivas (constante).

Curva de Enfriamiento

Exponenciales y asíntotas con la temperatura del medio de enfriamiento si no hay transferencia. La energía de activación disminuye con catalizadores y aumenta con venenos.

Reacciones Invariantes

• Monotéctica: Fase líquida (al enfriarse) se separa en sólida y líquida. L1 baja temperatura da α y L2 rico en B.
• Eutéctica: Líquido forma pequeños cristales de dos componentes sólidos insolubles o de dos fases sólidas insolubles.
• Peritéctica: Líquido y sólido (al enfriarse) forman un sólido de distinta composición.

Si el máximo es plano, se disocia formando un líquido homogéneo entre A y B. Si no es plano, no se disocia y forma dos líquidos. Velocidad menor e inercia térmica mayor. Estado líquido ideal.

Resistividad

Compuesto térmico (aumenta con la temperatura) + compuesto residual (constante).

Bandas de Energía en Semiconductores

Bandas de energía: En semiconductores, la banda de valencia está llena y la de conducción vacía.

Semiconductores Extrínsecos

• Tipo N: Sustitución de un átomo tetravalente por uno pentavalente. Al aumentar la concentración de impurezas, aumenta la conductividad.
• Tipo P: Sustitución de un átomo tetravalente por uno trivalente. Se crean huecos (h+). Baja el nivel de la banda de conducción hasta un nivel aceptor próximo a la banda de valencia (Ea, Ev).

Rangos de Funcionamiento

• Tipo N: Rango de agotamiento: Conductividad casi constante con el cambio de temperatura.
• Tipo P: Rango de saturación.

La concentración de impurezas reduce la movilidad de electrones y huecos.