Punto de partida: Los átomos
Toda la materia que está a nuestro alrededor está formada por átomos. Este conocimiento lo hemos obtenido gracias a los científicos, cuya misión es desvelar los secretos de la naturaleza, y obtener sus leyes fundamentales
En nuestros modelos simplificados, vamos a representar cada átomo como una esfera que ocupa un volumen. Esto NO ES LA REALIDAD. Los átomos NO SON ESFERAS. Sin embargo es una representación simplificada que nos sirve para entender las ideas principales de los chips
Este modelo, aunque simplificado, es lo suficientemente preciso como para entender la disposición de los átomos para formar materiales. Utilizando un microscopio de efecto tunel es posible visualizar los átomos, y apreciar cómo se distribuyen en los mateales
Esta es la famosa imagen IBM en átomos de 1989 donde los científicos de la empresa IBM escribieron el nombre de la compañía utilizando 35 átomos de xenón (Xe)
Los átomos se observan como si fuesen pequeñas “bolitas”
En 2013 los científicos de IBM fueron un paso más lejos y crearon la película Un chico y su átomo: un corto de animación creado usando átomos
Esta es la representación que vamos a utilizar nosotros. En esta imagen se muestra un átomo apoyado en una superficie que para nosotros será el suelo
Nuestro átomo parece una bola de billar, pero no nos dejemos engañar por este modelo simplificado. En realidad el átomo está prácticamente vacío. En su interior tiene un núcleo, muy muy muy pequeño en comparación con su volumen total. Alrededor de este núcleo están los electrones orbitando, que son una partículas con carga negativa
Si bien también estamos representando los electrones como “bolitas” más pequeñas, en realidad NO LO SON tampoco. En este modelo nos los vamos a imaginar como pequeños puntos que se mueven a muchísima velocidad, cada uno dentro su propio orbital
(El dibujo No está a escala)
El núcleo está compuesto por dos tipos de partículas: los protones, que tienen carga positiva, y los neutrones, sin carga
La masa del átomo se encuentra en las partículas del núcleo. Los electrones tienen masa, pero es despreciable frente a la de protones y neutrones
Clasificando átomos
Aunque en la naturaleza hay muchísimos tipos de minerales y materiales, es sorprendente la simplicidad subyacente a todos ellos. Al final están compuestas por átomos unidos entre sí. Y lo único en que se diferencian estos átomos es en la cantidad de protones que hay en el núcleo.
Los neutrones aporta masa, pero no tienen carga. Y no cambian las propiedades fundamentales de los materiales. Por ello, nos centraremos en las dos partículas fundamentales: los electrones con la carga negativa y los protones con la positiva
Los diferentes átomos los podemos clasificar atendiendo al número de protones que tienen. Y sólo eso. Basta con añadir un protón más al núcleo de un elemento para convertirlo en otro diferente. Es increible cómo toda la complejidad de los materiales queda reducida sólo a eso: elementos que difieren en la cantidad de protones.
Atendiendo al número de protones en el núcleo, los elementos se organizan muy fácilmente en la conocida tabla periódica de los elementos
Pero vamos a empezar por el principio…
El átomo de hidrógeno
El átomo más sencillo es el de Hidrógeno (H), que sólo tiene 1 protón en el núcleo, y 1 electrón orbinando. Debido a esto, se le asigna el número 1. El número de protones se conoce como Número atómico. Decimos que el hidrógeno tiene número atómico 1
Molécula de hidrógeno
En la naturaleza no hay átomos de hidrógeno aislados, sino que están combinados con otros elementos, o consigo mismo. Cuando hablamos de hidrógeno como gas, nos estamos refiriendo a la molécula , compuesta por la unión de 2 átomos de hidrógeno
En esta molécula los dos núcleos de hidrógeno comparten ambos electrones, formando un orbital de 2 electrones compartido entre ambos nucleos. Este nuevo orbital lo representamos mediante un elipsoide verde. Cuando los dos núcleos comparten sus electrones para formar este nuevo orbinal, quedan fuertemente unidos mediante lo que llamamos un enlace covalente
En esta molécula, los dos electrones pertenecen a ambos núcleos. Es una unión estable
Normalmente las moléculas se representan mediante esferas para los átomos que están unidas por los enlaces covalentes. Estas uniones se representan mediante cilindros. Así, la molécula se representa típicamente así:
El átomo de Helio
El siguiente elemento es el Helio, cuyo símbolo es He. Está formado por 2 protones, y tiene 2 electrones orbitando. Su número atómico es 2
A diferencia del hidrógeno, el Helio NO SE COMBINA CON NADA. Por eso recibe el nombre de gas inerte. Es un átomo muy estable, que no interacciona con ningún otro átomo, ni siquiera consigo mismo
La molécula de hidrógeno tiene también 2 protones, y 2 electrones, pero es COMPLETAMENTE DIFERENTE. Es un elemento diferente. De hecho, el hidrógeno como gas es inflamable (explota en presencia de oxígeno), mientras que el He es inerte. No reacciona con nada
El resto de átomos
El siguiente átomo es el de Litio (Li), que tiene número atómico 3, luego el Berilio (Be) con 4, y así sucesivamente con todos los elementos conocidos. Cada nuevo elemento tiene un protón más que el anterior. También tiene más neutrones, pero esto lo vamos a obviar, porque los neutrones sólo aportan masa al átomo, y no es importante para el diseño de circuitos
Otra clave en la diferencia entre los átomos es en dónde se sitúan los órbitales de los electrones. Cuando más protones, más electrones se necesitan, y estos se sitúan en diferentes orbitales, en regiones diferentes del espacio. Para el estudio de los circuitos lo único que nos interesa es conocer los electrones situados en los orbitales más exteriores, que tiene la menor energia, y son los causantes de que los átomos se enlacen a otros átomos